4.1.1 高速铁路桥梁的特点
高速铁路桥梁具有5个显著的特点,分别是:结构动力效应大,桥上无缝线路与桥梁共同作用,满足乘坐舒适度,100年使用寿命,维修养护时间少。
(1)结构动力效应大。桥梁在列车通过时的受力要比列车静置时大,其比值(1+μ)称为动力系数(冲击系数)。产生动力效应的主要因素有移动荷载列车的速度效应和轨道不平顺造成车辆晃动。其中,μ计算公式为:
式中:k为系数;α为速度参数;i为轨道不平顺的影响系数(常数项);v为车速(m/s);n为结构自振动频率(Hz);L为跨度(m)。
高速铁路速度效应大于普通铁路,桥梁的动力效应相应较大,对常用刚度的混凝土梁,车速为130km/h、160km/h、300km/h时,α-L的关系曲线如图4.1所示。
跨度40m以下的高速铁路简支梁桥,当α>0.33、n<1.5v/L时,会出现大的动力效应,甚至发生共振。为此,应当选择合理的结构自振频率n,避免与列车通过时的激振频率接近。
列车高速通过时,桥梁竖向加速度达到0.7g(f≤20Hz)以上,会使有砟道床丧失稳定,道砟松塌,影响行车安全。
图4.1 α-L的关系曲线
(2)桥上无缝线路与桥梁共同作用。修建高速铁路要求一次铺设跨区间无缝线路,以保证轨道的平顺和稳定。桥上无缝线路可作为不能移动的线上结构,而桥梁在列车荷载、列车制动作用下和温度变化时要产生位移。当梁、轨体系产生相对位移时,桥上钢轨会产生附加应力。
高速铁路桥梁必须考虑梁轨共同作用。尽量减小桥梁的位移与变形,以限制桥上钢轨的附加应力,保证桥上无缝线路的稳定和行车安全。
(3)满足乘坐舒适度。与普通铁路不同,高速铁路要求高速运行列车过桥时有很好的乘坐舒适度,舒适度的评价指标为车厢内的垂直振动加速度。影响乘坐舒适度的主要因素有列车车辆的动力性能、车速、桥跨结构的自振频率和桥上轨道的平顺性。桥梁应具有较大的刚度、合适的自振频率,保证列车在设计速度范围内不产生较大振动。乘坐舒适度评定标准见表4.1。
表4.1 乘坐舒适度评定标准
(4)100年使用寿命。对高速铁路桥梁首次提出在预定作用和预定的维修和使用条件下,主要承力结构要有100年使用年限的耐久性要求。设计者应据此进行耐久性设计。
(5)维修养护时间少。由于高速铁路采用全封闭行车模式,行车密度大,且桥梁比例大、数量多,因此维修养护时间少。