重载铁路桥墩运营性能研究

李峰帜

（朔黄铁路发展有限责任公司 河北肃宁 062350）

重载运输由于运能大、效率高等优点，已经受到世界各国铁路运输部门的青睐，并将成为未来铁路货运发展的必然趋势[1]。与常规货运铁路相比，重载铁路运输的主要特点是列车编组增加，车辆轴重增大，运营密度增大，但是对桥梁的冲击作用也随之增大，必然导致桥梁结构竖向和横向振动加剧，甚至危及铁路行车安全[2]。

在重载运输中圆端型和圆柱型桥墩占了相当大的比例，本文以圆端型桥墩和圆柱型桥墩为主要研究对象，建立有限元模型计算分析了不同轴重不同速度情况下两种类型桥墩横向振动特性。结合朔黄铁路多座桥梁的运营性能试验，统计分析两种类型桥墩的墩顶横向振幅和自振频率数据，对两种类型桥墩的横向振动特性进行了分析研究，为保证运营安全提供必要的技术支撑。

1 桥墩振动特性有限元分析

1.1 有限元模型

本文采用有限元计算软件MIDAS/Civil 建立了8 m 高圆柱型桥墩和8 m 高圆端型桥墩模型，桥跨上部结构的质量和约束会对桥墩的振动特性产生一定的影响，因此建立了两跨32 m 简支预应力混凝土T 梁的全桥模型。模型中简支梁和桥墩均采用梁单元，梁端约束为一端简支一端固定，墩底约束为固定端约束，梁单元与桥墩连接采用弹性连接。分别计算C64、C70、C80,25t、C80,27t 列车以不同速度通过桥跨结构时，桥墩的墩顶横向振幅和横向自振频率，对比分析相同车型相同速度下圆端型与圆柱型桥墩的墩顶横向振幅和自振频率之间差异。建立的圆端型及圆柱型墩的有限元计算模型如图1、图2 所示。

1.2 列车荷载形式

桥墩横向振动主要是由于车辆荷载的横向摇摆力引起的，《铁路桥梁动力学》中对横向摇摆力与列车竖向力的关系做了统计分析，表明这种依赖关系是很大的，水平力和竖向力的比值的平均值为同样水平横向力作为速度和竖向力的函数进行线性回归，得到如下方程式 Hy=a+bV+cF，式中，a、b、c 是回归系数。结果也确证水平横向力大约为竖向轮力的1/3[3]。目前重载铁路运营列车主要包括C64、C70、C80 等车型，其中C64 列车轴重21 t，C70 列车轴重23t，C80 列车轴重分25t 和27t 两种。按照横向摇摆力和轴重之间的关系，本文在建立有限元计算模型时，在结构上施加的移动节点荷载形式如图3 所示。

图1 圆端型桥墩计算模型图

图2 圆柱型桥墩计算模型图

图3 列车移动节点荷载图

各车型荷载图示中相关参数如表1 所示。

表1 各车型荷载图示参数表

1.3 墩顶横向振幅分析

桥墩结构在移动荷载作用下墩顶横向振幅值是评价桥墩运营性能的一个重要指标，本文主要通过有限元模型计算了C64、C70、C80,25t 以及C80,27t 列车分别以60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h 速度通过桥梁结构时，圆端型桥墩和圆柱型桥墩的墩顶横向振幅值。计算结果如表2 所示。圆端型桥墩墩顶横向振幅随轴重及速度的变化关系如图4 所示，圆柱型桥墩墩顶横向振幅随轴重及速度的变化关系如图5 所示。

图4 圆端型桥墩墩顶横向振幅与轴重和速度关系图

图5 圆柱型桥墩墩顶横向振幅与轴重和速度关系图

从表2 和图4、图5 可以看出无论圆端型桥墩还是圆柱型桥墩，墩顶横向振幅随着轴重增加而增加，在一定速度范围内墩顶横向振幅与速度关系不明显，随着速度变化墩顶横向振幅出现一定的波动。相同轴重相同速度情况下圆柱型桥墩墩顶横向振幅要远大于圆端型桥墩墩顶横向振幅值。

2 桥墩运营性能试验分析

为了保证列车以规定的速度通过桥梁结构时，桥梁结构不出现激烈振动、防止车轮脱轨保证运营安全，需要铁路桥梁桥墩具有足够的刚度，为此《铁路桥梁检定规范》2004 版第10 章中，对桥墩的墩顶横向振幅和自振频率的限值做出了明确规定[4]，规定如表3 所示。

表2 列车以不同速度通过时墩顶横向振幅表（单位：mm）

表3 墩顶横向振幅限值表

2.1 墩顶横向振幅运营性能试验分析

统计了跨新沧保公路大桥、谢官厅中桥、西留肖中桥、南运河特大桥、岭庄中桥等圆端型桥墩的有关参数和运营性能试验数据，对比实验数据和规范限值对桥墩运营性能进行评价分析，统计数据如表4 所示。

表4 圆端型桥墩墩顶横向振幅表

统计了跨石港公路1 号大桥、跨石港公路2 号大桥、子牙新河特大桥等圆柱型桥墩的墩顶横向振幅通常值和实测值，统计结果如表5 所示。

表5 圆柱型桥墩墩顶横向振幅表

对比表4 和表5 的数据可以看出圆端型桥墩的墩顶横向振幅实测值均小于通常值，且实测值与通常值的比值较小，圆柱型桥墩的墩顶横向振幅实测值大部分接近甚至超过通常值。

2.2 墩顶横向振幅运营性能试验分析

所测桥梁中圆端型墩横向尺寸较大除南运河特大桥墩以外其他墩均为低墩，规范中对桥墩横向自振频率限值无要求。南运河特大桥墩横向自振频率通常值限值为3.45，实测值为3.5，该桥墩横向自振频率满足要求。进行运营性能试验的上述圆柱型桥墩的横向自振频率通常值和实测值统计如表6 所示。

表6 圆柱型桥墩自振频率统计表

从上表可以看出各墩的横向自振频率实测值均小于横向自振频率通常值，说明实测各圆柱型桥墩横向刚度不足，不满足运营性能要求。

对比实测桥梁的圆端型和圆柱型桥墩的横向自振频率的数据，可以看出在运营桥梁中圆端型桥墩与圆柱型桥墩相比横向刚度较大，更能满足桥梁安全运营要求。

3 结论

本文以重载运输下的圆端型桥墩和圆柱型桥墩为研究对象，通过有限元计算和运营性能试验，对你两种桥墩的横向振动特性进行了对比分析，主要结论如下：

（1）通过有限元模型计算分析，两种桥墩墩顶横向振幅随列车轴重增加而增大，在速度变化范围不大情况下，墩顶横向振幅与速度关系不明显。相同荷载形式情况下圆柱型墩墩顶横向振幅大于圆端型墩，自振频率小于圆端型墩。

（2）通过朔黄铁路多座桥梁运营性能试验，统计分析两种桥墩的试验数据，圆端型桥墩的墩顶横向振幅和横向自振频率大部分满足《桥检规》规范要求，大多数圆柱型桥墩的墩顶横向振幅和自振频率，接近或不满足《桥检规》规范要求，因此对于目前正在运营的重载铁路桥梁中圆端型桥墩的横向振动特性要普遍优于圆柱型桥墩。

[1]肇启元.发展重载铁路是提高运输能力的主要途径[J].能源基地建设,1993(4):28～20

[2]钱立新.世界铁路重载运输技术的最新进展[J].世界轨道交通,2007(12):20～23

[3]曾庆元,郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论与应用[M].北京:中国铁道出版社,1999.201~209

[4]中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120 号,铁路桥梁检定规范[S].北京:中国铁道出版社,2004