【特别策划】高铁大跨度桥梁基于服役状态的健康监测指标研究

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发表于 2019-3-19 20:33:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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引言


   速铁路基础设施的技术标准体系应涵盖基础设施的全生命周期,包括设计标准、验收标准和运营管理标准。对大跨度桥梁而言,风、温度、徐变、沉降等环境因素对结构性能影响显著,在设计与运营中均需考虑。在设计阶段,各类荷载均取最不利状态,在组合作用下仅要求结构满足强度要求,变形限值则是针对各类荷载单独给定的,没有提出结构在实际运营状态多种荷载共同作用下的刚度要求。考虑到长期使用过程中桥梁尽管承受多种荷载或作用,但不同跨度、不同桥型乃至不同地质条件各种荷载或作用的影响程度相差甚远,因此设计标准中的变形限值在结构的运营阶段不能直接叠加采用,而验收标准是对结构施工质量的考核标准,也不适用于运营阶段。

为避免大跨度复杂桥梁过高的建设成本,应该采用全生命周期的理念进行顶层设计。顶层设计应明确设计阶段不能解决全生命周期中的所有问题,一些短期的荷载或作用,如活载、风、地震及一些周期性作用,如温度、日照,只能靠结构本体来承受,必须在设计中充分考虑,不能把这些荷载或作用引起的变形放到运营阶段解决,以免产生过大的养护维修工作量。但另一些作用,如沉降、收缩徐变及材料的劣化等,引起的变形呈现出单调增加的特点,完全可以在运营中通过工程措施来解决,没必要让结构自身来承受,这就意味着设计和建造只解决全生命周期中的有限问题,只占用一部分成本。

为实现上述目标,需要建立基于服役状态的健康监测体系,一旦变形达到或超过限值,则需针对具体问题采取相应的工程措施。健康监测体系应采用尽可能少的限制标准反映结构的运营性能保持能力,还需具备相应的检测设备和工程措施以保证可观测、可到达、可维修或可更换。

以一座主跨445m的高速铁路拱桥为工程实例,研究在温度和活载共同作用前提下的收缩徐变限值,该限值用于运营期间的静态变形控制,通过运营期间的支座高度调整,满足高速列车的通行要求。



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桥梁概况

  某高铁大跨度上承式钢筋混凝土拱桥全长721.25m,主桥为跨度445m上承式钢筋混凝土拱,引桥及拱上孔跨布置为1×32 m预应力混凝土简支箱梁+2×65m+8×42m+2×65m预应力混凝土刚构连续梁+2×37m预应力混凝土连续梁(见图1)。两侧T构及主拱范围内降温及残余收缩、徐变引起的桥面变形曲线见图2




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大跨度桥梁静态变形控制参数选取

     跨度桥梁在温度、收缩徐变等因素作用下产生的桥面变形多为长波不平顺,各因素引起的长波不平顺不是孤立的,都会对列车运行的舒适度产生影响,单纯限定某个指标并不能控制车辆在桥梁上的运行状态或保证轨道几何形态,因此从机理而言应对这些变形的总量值进行控制,确定变形总量的限值后再从中提取收缩徐变的控制标准,进而预估何时需进行支座调整及调整量,在设计中预留施工条件。

轨道长波不平顺管理现状

    日本对于长波不平顺采用40m弦对应幅值进行管理,高速铁路线路区段的不平顺建议控制值为40m,弦长的幅值不得超过6mm。但大跨度桥梁的桥上不平顺建议控制值为40m,弦长范围内幅值不超过7mm。日本曾将线路的实测结果与40m弦幅值控制的结果进行对比,结果表明列车动力指标最大值的规律与40m弦长高度吻合(见图3)。

法国高速铁路采用33m弦长对应幅值作为安全控制指标,美国对于速度在177~322km/h的六级以上线路,采用18.9m和37.8m两级测量标准。

我国轨道动态不平顺管理标准中,250(不含)~350km/h线路高低和轨向管理标准的波长为1.5~42.0m和1.5~120.0m。轨道静态长弦测量控制标准主要参照德国高速铁路无砟轨道新线施工轨道几何尺寸静态验收标准及我国京津城际、京沪高铁等工程实践经验,采用48a或480a等形式,其中a为不同无砟轨道类型的扣件节点间距。

对比可知,我国轨道动态管理标准主要是以一定波长范围内的幅值来进行管理;德国和我国静态长弦测量管理标准采用固定30、300m弦的5、150m矢距校核的矢距差评价;日本、法国、美国、俄罗斯等采用基于固定弦长的中点矢距进行评价。

  大跨度桥梁静态变形控制参数选取

我国《高速铁路设计规范》规定了最小竖曲线半径,斜拉桥、连续刚构、悬索桥等大跨度桥梁的桥面变形曲线对车体振动的影响类似于竖曲线,过去的设计实践中也有采用曲率半径进行变形控制的成功实例,但对本次研究的上承式拱桥计算发现,仅考虑正负温差时最小曲率半径位置在拱顶,R=2863m,计入收缩徐变后情况更为不利,与25000m的曲率半径要求相去甚远。因此,曲率半径不适合作为大跨度桥梁静态变形曲线的控制指标。

波长幅值管理作为我国的轨道不平顺质量动态管理标准一直被使用,但其管理的最长波长为120m,对于大跨度桥梁而言,跨度超出120m后就不适用于此标准,因此波长幅值也不适合作为大跨度桥梁静态变形曲线的控制指标。

   根据前述对国外长波不平顺控制限值的调研,弦测法可作为静态不平顺的控制指标。弦测法则是以一定长度的直线为基线,以基线中点到轨面的矢距为测量值所得轨道不平顺结果为v=u2-(u1+u3)/2。弦测法测量轨道不平顺机理示意见图4。
   根据日本学者Shigeaki Ono和Takehiko Ukai对轨道不平顺管理标准的研究成果,同时参考日本东北新干线延伸线上的SANNAI-MARUYAMA桥,采用40m弦限值7mm作为桥面轨道静态不平顺的总限值进行进一步分析。

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大跨度桥梁静态变形限值

面轨道静态不平顺包含轨道结构在正常养护维修状态下的随机不平顺及桥面变形,而桥面变形又同时包括温度和收缩徐变的影响,因此需分别加以分析。以京沪高铁为背景,以500m为一个区段,进行路基段的轨道不平顺40m弦测法计算。得到弦测法最值的平均值为3.28mm,最终选取路基地段轨道不平顺的弦测法最值为3.5mm,该值可代表正常养护维修状态下轨道随机不平顺的弦测法最值。因此,取弦测法的总限值为7mm时,则桥梁变形的弦测法限值为3.5mm

桥梁静态变形控制针对的是残余收缩徐变,温度则由于其周期性特点,不作为静态变形的控制对象。因此对温度变+k×残余收缩徐变的弦测结果进行计算,k01,升降温根据设计资料取为15℃。计算结果表明,降温150.4倍残余收缩徐变叠加后的桥面变形曲线40m弦测值为3.296mm,已接近3.5mm的限值要求,据此,初定残余收缩徐变限值为铺轨后总收缩徐变量的0.45倍,也即收缩徐变最大变形不超过45mm

为最终确定桥面变形曲线限值,采用CRH380BL动车组(8辆编组),武广高铁实测轨道不平顺,并将温度变形+k×残余收缩徐变的组合曲线作为桥面初始不平顺进行车桥耦合振动分析,其中k0.4~1.0,以车体垂向加速度1.3m/s2和垂向舒适度合格为控制标准,最终确定允许残余收缩徐变为铺轨后总收缩徐变量的0.6倍,也即收缩徐变最大变形不超过60mm

     综上所述,建议高铁大跨度拱桥环境因素引起的桥面变形限值在350km/h条件下,按4mm/40m控制,就所分析的上承式拱桥而言,该值对应的残余徐变上拱值为60mm。 

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 结论

对高速铁路大跨度桥梁而言,设计标准中的变形限值在结构的运营阶段不能直接叠加采用,应建立基于服役状态的静态变形限值,一旦变形达到或超过限值,则需针对具体问题采取相应的工程措施。

为控制桥面变形引起的轨面随动不平顺,对比分析波长幅值、曲率半径及弦测法的适应性,最终建议采用弦侧法作为桥面静态不平顺的控制指标。

参考日本的工程实践,采用40m弦限值7mm作为桥面轨道静态不平顺的总限值,消除轨道结构自身的随机不平顺后,建议高速铁路大跨度拱桥因环境因素引起的桥面变形限值在350km/h条件下,按4mm/40m控制。

为避免产生过大的养护维修工作量,温度、日照等周期性作用引起的桥面变形不作为静态变形控制的对象,即周期性作用引起的桥面变形需要靠结构本体来承受,在设计中即应充分考虑, 沉降、收缩徐变等环境因素引起的桥面变形为静态控制目标,可根据4 mm/40m的桥面静态变形总限值推算收缩徐变或沉降的控制标准,进而预估何时需进行支座调整及调整量,在设计中预留施工条件。 

文章出处:《中国铁路》杂志2019年第1期 

                  作者:高芒芒,赵会东,许兆军

可登录《中国铁路》门户网进行全文下载

www.crj.com.cn

happy new year


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发表于 2019-3-20 08:15:31 | 显示全部楼层
宇宙第一贴诞生了!
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发表于 2019-3-20 20:30:29 | 显示全部楼层
今天是个特别的日子,值得纪念!
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发表于 2019-3-21 14:52:10 | 显示全部楼层
雷锋做好事不留名,都写在帖子里!
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发表于 2019-3-21 15:22:31 | 显示全部楼层
我率天兵天将 将你打回原形~~~
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发表于 2019-3-21 18:46:37 | 显示全部楼层
楼上是GG还是MM啊?
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发表于 2019-3-22 12:42:08 | 显示全部楼层
知识就是力量啊!
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发表于 2019-3-24 13:42:35 | 显示全部楼层
林子大了,什么鸟都有了啊!
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发表于 2019-3-24 18:11:12 | 显示全部楼层
楼主说的我也略懂!
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发表于 2019-3-24 20:04:06 | 显示全部楼层
这一年啥事没干,光研究楼主的帖子了!
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