高速铁路路桥过渡段变形机制研究

第25卷第2期V ol.25N o.22004
青岛建筑工程学院学报
Journ al of Qin gdao Institute
of Arch itecture and Engin eering 高速铁路路桥过渡段变形机制研究X
匡志新1,梁冰2,白国良2
(1.辽宁省交通工程公司,沈阳110066;2.辽宁工程技术大学力学与工程科学系,阜新123000)
摘　要:路桥过渡段由于受到高速运行车辆动荷载的作用,在桥头处往往会出现震动较大的跳车
现象,影响行车的平稳性与安全性,并且随着行车速度、轴重的提高以及快速列车和重载列车的开
行而增加.针对高速铁路路桥过渡段变形的机制进行分析,建立了车辆通过过渡段时的计算模型,
并提出了相应的防治措施,对于车辆在路桥过渡段行驶中跳车问题的防治和路桥过渡段的施工提
供科学决策依据.
关键词:过渡段,变形机制,防治措施
中图分类号:U238
由于铁路轨道结构的特殊性,轨道的刚度和变形在纵向是不均匀的.特别是当轨下基础的结构不同时,轨道的刚度就会产生突变.如桥上轨道与其两端的土路基轨道、道岔头尾轨道与岔内轨道、隧道洞口两端轨道与洞内轨道、无碴轨道与有碴轨道、平交道口与其两端的轨道都存在此类动力不平顺问题,而其中以桥台与路基连接处的轨道最为严重.因为,此处的轨道除刚度的突变外,由于地基条件、桥台后路基填料、桥台与路基结构差异以及设计与施工的原因,必然存在桥台与路基的沉降差.当列车驶过这些地段时,由于轨道刚度和变形发生突变,使得轮轨间的动力作用增大,从而引起轨道破坏,影响行车的平稳性与安全性.为了减轻因轨道刚度和变形突变引起的轮轨动力作用,就需要在不同轨下基础的轨道之间设置过渡段.针对路桥过渡段跳车现象进行机制分析,并提出相应的防治措施.
1　路桥过渡段变形的成因
高速铁路和高速铁路路桥过渡段出现跳车现象,严重影响行车安全.在铁路路桥过渡段由于跳车原因,产生道碴翻浆、路基下沉变形、线路部件损坏、轨面变化等严重的线路病害.路桥过渡段存在着程度不等的跳车现象,而产生这一现象的主要原因有以下几个方面:
1.1　地基条件原因
现在许多既有线路是修筑在地基条件较差.并未经很好处理的软地基土上.在软土基上路桥过渡段的路和桥的工后沉降量是不同的,在路基过渡处必然有沉降差.路桥过渡段由于结构要求,桥头路基填筑高度较大,产生的基础应力也较高,因此在路桥过渡段产生的沉降较其他路段大些.由于地基上的性质及结构的不同,产生的沉降和沉降达到的稳定所需要的时间是不同的.对于粉质土地基和中、低压缩性的黏土地基,其全部完成沉降需要几年的时间;对于高压缩性黏土地基、饱和软黏土地基,则其全部完成沉降需要十几年甚至几十年的时间.所以地基工后沉降是地基造成桥头跳车的成因.
1.2　桥台后填料的成因
桥台后路堤填料一般全是用的填土.由于施工原因,往往作业面相对狭小,碾压质量不易控制,其压实度达不到设计要求.即使是施工时压实度全部达到设计要求,而在运营时路堤填土本身的自重和动荷载的作用,都将使路堤填土进一步压缩变形.这种变形是填土高度的0.5%～1%使得路桥过渡处出现沉降差.桥台前的防护工程由于受到土压力的水平作用,将产生一定的水平位移,会使路桥过渡处的路基出现一定
X收稿日期:2004-03-17
的沉降变形.路桥过渡处常会产生细小的伸缩裂缝,经过地表水或是雨水的渗透后,会使路基填土出现病害,强度降低,产生沉降.或由于水的渗透流动带走填料中的细颗粒土,使得路桥过渡处出现沉降变形.
1.3　设计及施工原因
以往在设计中没有把路桥过渡段作为一种结构物来考虑,没有较为合理的设计要求.设计时对路桥过渡区段的施工碾压过程考虑不周,对填料的要求不严格,桥台后排水设计不周,这些因素将影响其施工质量.施工时对工期和工序安排不当,以致使路桥过渡区段的填土碾压工作安排在施工的工期的尾部,被迫赶工期,不能够很好地控制填土压实质量,使得填土本身出现沉降变形.施工时对路桥过渡区段的回填料不按设计要求填筑,采用不良填料,或是碾压厚度超过要求.或是实度达不到设计要求,造成质量缺憾.施工时碾压机械配置欠佳,压实功率不够,又没有进行分层质量检查,使得压实质量控制达不到要求.
1.4　重桥轻路意识的原因
设计及施工中重桥轻路的意识是影响路桥过渡区段施工质量的又一因素.以往在铁路建设工程中,桥梁建设不仅工程建设巨大,投资多,而且有时还是保证线路正常通车的关键.从以往的施工过程看,往往是路桥分家,重桥轻路.桥梁施工集中了大量精干的工程技术人员,而路基施工未能投入必要的技术人员.在施工中路桥过渡区段又是质量控制的薄弱环节.往往在铺轨架桥时,或正常运营一段时间后路桥过渡区段的问题才明显出现.
1.5　路基与桥台结构差异的原因
桥台一般是刚性的,而路基则是柔性的.由于这两种结构的差异,在路桥过渡区段内,当受到动荷载作用时,在刚柔之间必然存在着沉降差.路桥过渡区段由于其刚性不同、自重不同、强度不同,在外力作用下又是应力集中的区域,因此是影响线路运营的薄弱环节.路基与桥墩相比,路桥过渡区段桥台的水平稳定性更处于不利的位置.桥台前后由于荷载条件不同,桥台前没有荷载,桥台后有填土的水平土压力的作用,使桥头受到较大的水平推力.如设计和施工时没有相应的措施,则往往会造成事故,如软基上出现的桥台位移,桩基剪断等.
1.6　轨道技术状态的因素
高速铁路要求轨上竖向综合刚度保持均匀一致,即桥上的竖向刚度与路基上的竖向刚度保持一致.桥上是有碴轨道还是无碴轨道,路桥过渡区段内轨枕垫刚度匹配与否都与传递到路基及桥头上的冲击作用力的大小有关.
2　路桥过渡段的计算模型
路桥过渡段采用如图1所示的折线形状.若K 1、K 2、K 3分别为座椅、车体和轮对的刚度系数;C 1、C 2和
C 3分别为三者的阻尼系数;m 1、m 2、m 3分别为座椅、车体和轮对的质量;y 1、y 2和y 3分别为座椅、
车体和轮对的位移坐标;V 为轨面的位移坐标;H 1为桥面沉降前后的转角,其正切值为桥面沉降坡差$i 1;H 2为桥面与搭板之间的折角,其正切值为桥面与搭板之间的坡差$i 2;设H 为搭板沉降前后的转角,则H =H 1+H 2,其正切值为搭板沉降坡差$i =$i 1+$i 2;v 为车速.L 塔板长,$h 为桥台与引道之间的工后沉降差,则$h =L H .
2.1　行车过程中的控制方程
车辆通过路桥过渡段视作车辆受迫振动,由牛顿第二定律得振动方程为
m 1y
b 1=k 1(y 2-y 1)+
c 1(y a 2-y a 1)(1)m 2y b 2=-k 1(y 2-y 1)-c 1(y
a 2-y a 1)+k 2(y 3-y 2)+c 2(y a 3-y a 2)(2)m 3y
b 3=-k 2(y 3-y 2)-
c 2(y a 3-y a 2)+k 3(y 3-V )-c 3(y a 3-V a )
(3)设路面对车辆的垂直作用力为F (t ),方向以向上为正,则
F (t )=-k 3(y 3-V )-c 3(y a 3-V a )+(m 1+m 2+m 3)g (4)在初始条件和轨面位移确定以后,对式(4)用拉普拉斯变换和逆变换即可求出各质量的位移、速度和m 1的
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图1路桥过渡段形状
加速度.2.2　初始条件和轨面位移
2.2.1　在塔板上振动的初始条件和轨面位移
以车辆进入搭板时为初始时刻,以桥面末端的水平面为基准面.搭板位移和其拉普拉斯变换分别为
V =vt H ;V -=v H /s 2(5)
假设此时由于桥梁边跨的沉降坡差引起的车辆振动已趋于
稳定,则初始条件为
y 1(0)=0,y 1(0)=v H 1,y 2(0)=0,y 2(0)=v H 2
y 3(0)=0,y 3(0)=v H 1,V (0)=0(6)2.2.2　离开塔板后振动的初始条件和轨面位移以车辆离开搭板时为初始时刻,以搭板下引道轨面为基准面.轨面位移V =0.此时车辆实际上做自由振动.y 1(0)=y 1(S )-$h ,y 1(0)=y 1(S )
y 2(0)=y 2(S )-$h ,y 2(0)=y 2(S )
y 3(0)=y 3(S )-$h ,y 3(0)=y 3(S )3,V (0)=0(7)
3高速铁路路桥过渡段的变形限值与过渡段长度的确定
路桥过渡段的变形控制与过渡段长度过渡段的变形控制需解决两个问题:
(1)将路桥交界处的错落式沉降变成连续的斜坡式沉降;
(2)严格控制过渡段的轨面弯折变形,使之满足高速行车要求.
对于第一个问题,采用诸如粗粒料倾斜填筑,加筋土路堤结构、钢筋混凝土过渡板等处理措施就能较好地解决.对于第二个问题,根据路桥过渡段车辆与线路大系统相互作用的动力学分析结果,列车以350km /h 高速通过时,只要将路桥结构的工后沉降不一致引起的轨面变形弯折角H 限制在1.5‰～2‰以内,就能满足安全与舒适的要求.若路桥结构的工后沉降差控制标准为h ≤5cm,则过渡段的长度应为L ≥h /H =25～33m.因路基沉降与填土高度关系密切,过渡段可根据具体情况按路堤高度的3倍长度进行处理.
4结论
(1)路桥过渡段的处理有两方面的问题:一方面是受到列车荷载影响较大的范围内(基床以上部分)线路结构抵抗变形能力差异的问题,即轨道综合刚度平顺过渡的问题;另一个方面是人工结构的刚性桥台与土工结构的柔性路基间工后沉降差引起轨面弯折的限值问题.这两个方面的问题都会对高速列车的运行产生影响,但产生的原因各不相同,影响程度也不一样.在制定过渡段处理方案时,必须针对不同的影响因素和产生的原因,采取不同的加固方法,有的放矢地进行处理.这一处理原则,在过渡段的设计时应给予充分注意.
(2)路桥间结构体系的突变是造成轨面不平顺的实质原因.通过改进桥头线路结构的形式,可使两个对接的性质完全不同的线路下部结构体系在抗垂直变形能力方面能平滑过渡.
(3)路面的不平顺对车辆运行质量的破坏十分显著,进行路桥过渡段处理时应以减小路桥结构的沉降差为重点.
(4)路桥过渡段的处理长度应以满足线路(轨面)纵坡的变化限值为条件,即L =h /H .
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青岛建筑工程学院学报第25卷
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Deformation Mechanism on
High -speed Railway Bridge -subgrade Transition
Kuang Zhi-x in 1,Liang Bing 2and Bai Guo -liang 2
(1.T raffic Engineering Company of Liaoning Pr ovince,Shenyang 110066;
2.Department of M echanics and Eng ineering Sciences ,Liaoning T echnical University ,Fuxin 123000)Abstract :The jum p frequently o ccurs and obviously at the head o f bridg e-subg rade transition because of the impact of the high speed running vehicles .T hese phenomena affect the railw ay ’s hunting stability and security ,and it becomes m ore serious w ith the riding speed and the axes w eight incr eased and the running o f hig h speed or heav y loading train.Based o n the analysis of bridg e-subg rade transition deformation mechanism ,the dy namic mathem atics model has been developed and pr eventio n measure put forw ard w hich prov ides scientific basis for decision -making in the pr eventio n of jump phenomena in the running vehicles and the construction o f the bridge-subg rade transition.
Key words :high-speed railw ay,bridg e-subg rade transitio n,dynamic model,deformation mechanism,pr ev entio n measures
作者简介:匡志新,男,30岁,助理工程师43
第2期匡志新等:高速铁路路桥过渡段变形机制研究。