理论教育 国际铁路联盟对列车设计荷载的规定及大跨度铁路悬索桥设计

国际铁路联盟对列车设计荷载的规定及大跨度铁路悬索桥设计

时间:2023-10-10 理论教育 版权反馈
【摘要】:国际铁路联盟研究制定的Load Model 71荷载图式为概化图式,涵盖了集中牵引的旅客列车和重载货车、高速动车组等六种运营列车。UIC早期组织相关研究机构针对各种运营列车进行大量的车桥动力计算分析,以确定不同跨度简支梁竖向基频限值。在梁体基频满足规定后,高速铁路桥梁可按国际铁路联盟制定的UIC荷载图式、相应的动力系数进行静力计算。

国际铁路联盟对列车设计荷载的规定及大跨度铁路悬索桥设计

国际铁路联盟(UIC)研究制定的Load Model 71荷载图式(图3-1)为概化图式,涵盖了集中牵引的旅客列车和重载货车、高速动车组等六种运营列车。由于车型、运营速度等差异,不同列车引起的桥梁动力系数具有较大差异,难以用统一的公式予以描述。UIC提出了列车荷载图式与“设计动力系数”、运营列车与“运营动力系数”配套使用的理念,桥梁设计时应满足列车荷载图式效应大于运营列车效应,即“列车荷载图式静效应×设计动力系数”>“运营车辆静效应×运营动力系数”。

图3-1 Load ModeI 71荷载图式

UIC制定的“设计动力系数”是概化的公式,考虑不同等级线路养修,为跨度或加载长度的函数,并无实际意义;早期的动力系数按弯矩剪力分别计算,后进行了统一。而实际“运营动力系数”主要考虑移动荷载效应和轨道、车轮不平顺影响两部分。UIC规定跨度67 m以上的桥梁结构设计动力系数取1.00,相应地,“列车荷载图式静效应”>“运营车辆静效应×运营动力系数”,即荷载图式需要包络运营列车静动效应。

列车对桥梁的竖向动力系数与列车激振频率、桥梁自振频率等参数直接相关。在机车车辆参数、运行速度范围确定的前提下,激振频率也是确定的,桥梁结构设计时,应合理确定自振频率,避免列车通过时出现共振或较大的振动现象。对于高速动车组,在中小跨度桥梁区域,会出现“设计动力系数”小于“运营动力系数”的情况,由于高速动车组车体自重较轻,仍能保证设计列车荷载效应大于运营列车效应。

UIC早期组织相关研究机构针对各种运营列车进行大量的车桥动力计算分析,以确定不同跨度简支梁竖向基频限值。在梁体基频满足规定后,高速铁路桥梁可按国际铁路联盟制定的UIC荷载图式、相应的动力系数进行静力计算。

UIC在1974年首次制定列车荷载图式标准后,分别在1977、1979、1994和2006年进行了多次修订。其中2006年根据欧盟“EN1991-2-2003 Actions on structures-traffic loads on bridges”等研究成果进行了较大范围的修订。(www.daowen.com)

欧盟在对高速铁路车桥动力效应进一步深入研究后发现,由于早期研究中在列车长度、阻尼(采用2.5%~17%)等参数取值存在一定偏差,且未考虑桥梁的扭转效应,虽然梁体基频满足上述限值要求,但随着高速列车运营速度的不断提高,梁体仍有发生共振现象的可能。如巴黎—里昂高速铁路线上的部分14~20 m跨度桥梁,当车速达到260 km/h时桥梁产生了共振,并出现实际运营列车效应超过设计列车荷载效应的情况。

欧盟各国在既有研究的基础上,针对高速铁路桥梁设计中是否需进行动力分析开展了进一步的研究工作。在欧盟新版标准中,增加了动力检算内容,并规定动力检算可按运营列车移动荷载及相应的计算参数进行等。欧盟标准要求40 m以下跨度桥梁在动力检算中主要计算动力系数和频率为20 Hz以下范围的加速度值,以保证桥梁不产生共振及弯矩不超过设计值。

欧盟新版标准还列出是否需要进行动力检算的流程图(图3-2)和桥梁不需进行动力检算的最小刚度限值。从欧盟高速铁路桥梁动力设计流程可以看出,高速铁路桥梁动力设计以200 km/h速度为分界点,设计时速在200 km及以下时,连续梁及满足频率限值的简支梁不需进行动力检算;设计时速大于200 km时,连续梁需进行动力分析,以梁体振动加速度和动力系数作为评判标准。对于简支梁,只有40 m以下跨度有可能出现共振或较大振动,因此跨度在40 m及以上梁体频率仍可按照既有限值标准。

图3-2 欧盟新版规范规定的高速铁路桥梁动力设计流程

L—跨度(m);Vlim—设计速度;nT—桥梁一阶扭转自振频率(Hz);n0—桥梁一阶弯曲自振频率(Hz)

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