高速铁路桥梁的技术特性.ppt

1、高速铁路桥梁的技术特性,铁道科学研究院,1、高速铁路桥梁课题研究的概况 2、高速铁路桥梁活载图式的研究 3、日本高速铁路运营十几年后出现的问题 4、高速铁路车桥仿真计算中有关列车安全和乘座舒适度的评定标准 5、我国高速列车的发展概况 6、结论和建议,高速铁路桥梁课题研究概况,1.1 “八五”科技攻关项目，高速铁路线桥隧设计参数选择的研究95年11月之八： “高速铁路桥梁动力性能研究”（设计速度350km/h，跨度L80m） 1.1.1 高速铁路桥梁荷载的研究：通过对现有国外高速列车荷载对1080m跨桥梁的荷载效应进行计算分析，综合考虑了高速铁路的运营模式、高速列车的发展和牵引方式，采用可靠的方

2、法概化了高速铁路桥梁设计活载图。 1.1.2 高速铁路桥梁中动力系数的研究：通过建立高速列车与桥梁竖向相互作用的动力学模型，分析计算了动力分散式（日本）和动力集中式（TGV、ICE）高速列车作用下桥梁的动力效应，分析了多种参数和因素对桥梁动力效应的作用规律，给出了高速列车荷载下桥梁竖向动力系数的计算方法。,1.1.3 高速铁路桥梁竖向允许挠度的研究：通过桥梁与 列车竖向响应的计算结果，根据桥梁动力可靠性 ，列车乘座舒适度和脱轨安全三方面综合确定高 速列车作用下桥梁的竖向允许挠度值。 1.1.4 高速铁路横向刚度和横向摇摆力的研究：建立桥 梁与车辆空间相互作用动力学模型，采用构架人 工蛇形波作为

3、激振源，分析计算高速列车与桥梁 横向相互作用的动力响应，给出高速列车作用下 桥梁所受横向摇摆力及保证列车安全运行时桥梁 所需横向刚度。 1.1.5 高速铁路桥梁墩台横向允许变位值的研究：广泛 收集资料给出适用于高速列车运行的合理桥式和 桥面系。 1.1.6 高速列车作用下Lp64.0双线下承简支钢桁梁桥 的动力响应分析：以广深线石滩大桥实测进行计 算分析，着重讨论了100250km/h时这类桥梁动 力响应中的一些特殊问题。,1.2 “九五”国家重点科技攻关专题，高速铁路线桥结构与技术条件（标准）的研究96年12月之十 “高速铁路中小跨度桥梁竖、横向刚度限值及合理分布的研究”，由铁科院主持，西南

4、交大、长沙铁路学院、上海铁道学院参加（共15人）。 1.2.1 高速铁路中小跨度桥梁竖向、横向刚度限值及合理分布研究 通过对国内外车辆运行安全性与乘座舒适度以及桥梁振动限值标准的比选，确定了相应的各种指标；研究中计算了“九五”攻关兄弟课题中的桥梁截面形式，发现都满足行车要求，在此基础上进行了中小跨度竖向、横向刚度限值的研究，给出了小跨度竖、横向刚度限值。 1.2.2 列车过桥竖向振动模型试验研究及电算程序验证，在原有模型试验的基础上，按照动力相似原则，制作了1:10的模型梁；通过模型试验得出的有关桥梁冲击系数资料，其基本规律与国外现场试验相似；根据电算程序对模型梁进行了动挠度、动应力和冲击系数

5、计算分析，计算结果与试验基本相符。 1.2.3 建立桥梁与车辆空间相互作用动力学模型，采用构架人工蛇形波作为激振源，分析计算了高速列车与中小跨度多跨钢筋混凝土箱形梁墩系统的动力响应，给出高速列车作用下保证列车安全平稳运行时桥梁所需的横向刚度。,1.3 高速铁路桥梁活载图式的研究1996年12月 主持单位铁科院，参加单位专业设计院（14人） 分析了国外高速铁路桥梁活载图式的概况，阐述了制定我国高速铁路桥梁活载图式的依据，介绍高速铁路活载图式的研究方法，通过综合分析给出了我国京沪高速铁路桥梁设计的活载图式。,2 高速铁路桥梁活载图式的研究,2.1 国外高速铁路活载概况 2.2 制定高速铁路活载图式

6、的依据 2.3 高速铁路桥梁活载图式的研究方法 2.4 0.8UIC、0.7UIC、0.6UIC设计活载下的动力系 数取值及刚度限值的问题 2.5 活载图式的检算（详细检算内容见附表） 2.6 高速铁路桥梁未受载固有频率与动力系数的关系 2.7 与0.8UIC活载相应的横向摇摆力及离心力。 2.8 结论和建议,3 日本高速铁路运营十几年后桥梁出现的问题,3.1 新干线桥梁设计荷载存在的问题 新干线桥梁设计列车荷载是参照既有铁路钢桥规范并经修订后采用的。既有铁路列车为动力集中的KS荷载列，并为客货混跑，客车为P荷载，货车为N荷载，桥梁是按200万次反复荷考虑杆件疲劳问题。 新干线为客运专线，轴重

7、仅为16t，并将整编组列车视为“机车集中荷载”，如果改变允许应力强度同时还涉及到恒载问题，那么在短时间内完成此繁锁的工作是不现实的，因此必需找出一个便通的方案，为方便起见不改变允许应力强度，而是将16t荷载乘以1.125的系数作为一定的富裕量，即新干线列车荷载按18t计算，并按2000万次的反复荷载考虑杆件疲劳问题。 经过新干线开通后短期运营考验，证明以上设计方案存在问题，有些杆件因承受多次反复应力而发生疲劳损伤，甚至导致在比静应力还低也发生破坏，实践证明还必需重新从改变允许应力强度入手解决疲劳问题，即根据跨度来修正允许应力强度。具体方法是N荷载和P荷载的折衷，图中折线为两者的近似值，并根据此

8、线求出允许应力强度的修正系数。,3.2 桥梁发生的变化 3.2.1 高架桥的不均匀下沉（基础混凝土发生裂纹相继 下沉25mm） 3.2.2 预应力混凝土T梁横向预应力钢筋脱出 3.2.3 穿式板梁、上承板梁支座板相继发生破坏（总共 7127个，至1975年整修了3959个）每年要修300 400处，整治方法把支座临时支起，将座板周 围混凝土凿除，把钢坏箍放入后焊接，其中注 入合成树脂。 3.2.4 明桥面穿式板梁及穿式桁梁的桥面系杆开裂。 3.2.5 箱形梁加劲杆件端部、隔板及内部加劲肋出现裂 纹。 3.2.6 穿式桁下弦铆钉松动。 3.2.7 噪音问题,4 高速铁路车桥仿真计算中有关列车安全

9、和乘座舒适度的评定指标问题,4.1 车桥仿真计算中采样方法 列车在上桥前， 50 m开始作车桥耦合计算，实际上按2.3中每公里采样点为3280个计算，所以采样步长x取0.3048m，其采样频率与行车速度相关，即，如按200km/h行车，其采样频率是182Hz，如按300km/h行车，对应的采样频率是273Hz。,4.2 在车桥动力计算中有关轮重减载率取值问题 4.2.1 我国GB标准GB559985“铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范”中鉴定车辆轮重减载率应符合以下条件: 第一限度 第二限度 式中： 轮重减载量，KN 减载和增载侧车轮的平均轮重，KN 第一限度为评定车辆运行安全的合格标准，第

10、二限度为 增大了安全裕量的标准。,4.2.2 日本运输铁道局监修铁道综合技术研究所编： 在来铁道运转速度向上试验 解说， 1994年5月 东京 “轮重减载率限界值”。 （1）准静态轮重减载率 用于评价在缓和曲线上轨道扭曲，圆曲线上超高不足或过剩等场合车轮较长时间产生的轮重减载，减载率不得大于0.6。 即 式中 Pd轮重的测定值 Pst左右车轮的静态轮重之和的一半。 （2）动态轮重减载率 由于轮对上作用着横向力有必要对轮重减载率加以限制，但是从实际运行试验的测量结果来看，轮缘接触钢轨时产生横向力的车轮此时的轮重也会加大。相反，在轮重减少的车轮，轮缘一般不贴靠钢轨。此外，通过钢轨接头等场合产生冲击

11、引起的轮重减载率，由于时间很短不会有脱轨危险。根据这样的观点，将其限值规定不得大于0.8(日本)或0.9(美国)。即瞬间动态轮重最小值不小于静轮重的0.2或0.1倍。由轮重和轴箱振动加速度波形判断，超过上述限值的时间约在0.01秒以下，不会影响安全。,4.3 我国于1998年6月在郑州铁路局管内京广线的许昌至小商桥间进行高速试验，最高速度达239.7km/h，由SS80001机车运行安全性测试结果轮重减载率为0.49（180km/h）。如表1所示。,SS80001#机车运行安全性测试结果 表1,4.4 关于“日本铁路结构设计标准和解释混凝土结构”有关7.4.3中由列车活载产生的变位、变形的检算

12、指出：为了确保车辆运行的平顺及乘座舒适，必须对梁的变形加以限制，日本所示梁的挠度限制值是对半车模型、在半正弦波形的挠度曲线上运行时进行动态反映计算，从车辆的运行性及乘座舒适度这两方面检算而得。最高速度在250km/h时，关于运行性取轮重减载率的限值为25%，关于乘座舒适度的Janeway的乘座舒适度系数的限值为1.5，由此求得挠度限值。 这里所指的动态反映计算是从轮重减载率为0.25和Janeway的乘座舒适系数的限值为1.5来返求梁体的允许挠度，并没有考虑轨道的不平顺和车辆的蛇形运行所引起的轮重减载率。,4.5 结论 在高速铁路桥梁设计的仿真计算中, 如果不考虑轨道不平顺及车辆的蛇形运动时，

13、把轮重减载率定为0.25。 此时的仿真计算中有两点需要注意，一是要研究此条件下的行车安全性和乘座舒适度标准，该标准应与考虑线路不平顺时相应标准有所区别；二是因不考虑线路不平顺，桥梁结构与机车车辆的横向振动难以计算。如果考虑轨道不平顺及车辆蛇形运动时，判定轮重减载率 的值应取 。,5 我国机车车辆的发展,5.1 1992年10月在环形道DF9机车140km/h。 5.2 1994年10月在广深线DF11机车160、170km/h。 5.3 1996年10月在环形道（R1432m）外轨超高180mm，SS8001号，最高速度214km/h。 5.4 1998年6月SS8001号在许昌段试验，最高速

14、度239.7km/h。 5.5 1998年7月在京广线作了X2000的试验，速度200220km/h。 5.6 1999年8月在广深线作了DDJ动力集中式电动列车组(一动六拖)试验，速度200220km/h。 5.7 1999年9月在沪宁线作了180km/h内燃动车组（2M9T）最高速度198km/h。 5.8 2000年11月在广深线作了蓝箭动力集中式电动列车组（一动六拖）试验，速度200230km/h。 5.9 2001年10月11月在广深线作了先锋号动力分散式列车组（二动一拖）试验，最高速度达到249.6km/h。,我国机车车辆的发展,5.10 2001年12月在秦沈线神州号（内燃2动4

15、拖）最高运行速度为206km/h。 5.11 2002年9月在秦沈线先锋号电力2（2动1拖）最高运行速度为288.6km/h。 5.12 2002年11月在秦沈线“中华之星”电力（2动3拖）最高运行速度为315.1km/h。 5.13 2002年11月在秦沈线“中华之星”电力（2动4拖）奥星 最高运行速度为252km/h。,由于目前货物列车最高运行速度80 km/h，客车提速后、货物列车与客车速度差距将进一步加大，基于对铁路运输组织以及线路轨道结构曲线地段超高所决定的合理通过速度的考虑，提高货物列车的速度，减小混跑铁路上客、货列车运行速度差距势在必行，实施货物列车速度的提高对尽快实现我局干线大

16、幅增长新的运能以及铁路进一步的提速意义重大。 5.14 2002年9月17日29日,在铁科院东郊环形试验线（R=1430m）对设计速度120km/h、轴重21t的新型货物列车C64H（装有转K4摆式转向架）和C64K货车（装有转K2交叉杆式转向架）进行了满载行车试验，最高速度132Km/h。 5.15 2002年12月起，郑州铁路局遵照铁道部指示在陇海线郑州至开封区段，进行120km/h提速货车C64K型和C64H型敞车进行为期六个月的运用考验。 5.16 2004年9月在胶新线进行了“120km/h货物列车提速综合试验”，测试了120km/h货物列车（被试货物车辆G70K 车装配转k2转向架

17、，G70H1车装配转k4转向架。）和速度6070km/h运营货物列车对钢轨、轨枕、道岔、路基和桥涵等线桥设备动力作用，对既有线货物列车提速到120km/h时线桥设备的适应性进行评价，并对既有线的技术改造提出了建议。同时，进一步对120km/h货物列车运行的安全性和平稳性进行了检验。最高运行速度130.5km/h。 5.17 2005年7-8月在陇海线西段进行了设计轴重23t、速度120km/h的新型货车（装有转K5和转K6转向架）的动力试验。最高速度133km/h。,5.18 2005年11月12日京华时报“西门子获中国高铁63亿大单，中国高速铁路可能将全部引进德国技术”。西门子交通技术集团将

18、与其合作伙伴中国北车集团唐山机车车辆厂一起提供60列车（时速300km/h）西门子订单部分价值6.69亿欧元（合63.1亿元人民币）。首批三列车和一些重要部件将在德国制造，其余列车将在唐山机车车辆厂生产。西门子也将向中国转让动车组列车一般性组装、车体、转向架、牵引变压器、牵引逆变器牵引电机牵引控制系统，列车网络控制系统等8种技术。列车长200m座位总数600多个。列车将于2008年首先运行于北京天津线路，随后将运用于上海南京、武汉广州等其他高速列车线上。,6 高速铁路桥梁的技术特性,6.1 焊接长钢轨线路与桥梁的相互作用 6.2 高速铁路车辆结构的动力响应 6.3 地震环境高速轨道的几何形状和

19、应力,6.1 线路与桥梁的相互作用,由于线路与结构的相互作用带来钢轨的附加应力 1 温度变化 2 梁端桥面板的转动 3 列车的制动和加速力 控制方法 1 安装收缩调节器 2 增大梁的刚度 3 增大支承点的刚度 （桥墩、基础，支座）,线路与结构的相互作用,梁端板的转角,线路与结构的相互作用（制动和加速）,6.2 高速列车荷载下的结构动力响应,6.2.1 竖向活载在共振时刻结构动力系数的控制 6.2.2 桥面板水平加速度的控制 * 钢轨的稳定性 * 线路/车轮的接触 * 全部车辆的稳定性 * 乘客的舒适性 6.2.3 极限的疲劳应力,6.3 地震环境高速轨道的几何形状和应力 难点：地震发生时刻，列车以最高设计速度运营时求出轨道变形和应力的极限值分析步骤： 1 生命安全的分析（列车以最高设计速度运营时应使用于大地加速度峰值的地震） 2 危险性的分析（轨道应力和变形的标准应结合其他相伴的应力源） 3 转变成为实用和简单的高速适用于地震结构设计标准高速运营的重要性,Typic