1.5　鋼箱混合組合梁斜拉橋對鐵路列車走行性影響

1.5.1　鋼箱梁對鐵路列車走行性影響

橫向風力、列車搖擺力、曲線橋梁列車離心力和雙線鐵路單線行車荷載都會對鐵路斜拉橋的結構扭轉產生影響，鋼箱加勁梁是封閉型結構，能夠提供足夠的抗扭剛度。同時，鋼箱加勁梁的橫向寬度不受約束，因為橋面除了斜拉索以外不與其他受力構件相連接，僅僅是與鋼箱梁兩側的斜拉索錨固。當橋面比較寬時，橫橋向斜向布置的斜拉索與比較寬的鋼箱梁，加上橋塔可以共同提供較大的橫向剛度。鋼箱梁橋面板每隔約3m距離設置橫隔板，鋼箱梁頂板采用V形肋或U形肋加勁形成正交異性鋼橋面來滿足頂板的局部振動和穩定。因此，斜拉橋鋼箱加勁梁可以滿足鐵路列車走行性要求。當加勁梁橋面需要通行高速列車而鋪設無砟軌道滿足時，可以將鋼箱頂板采用混凝土預制板，這樣一來，既可以能夠很好地與無砟軌道底座板連接，又可以獲得較大的加勁梁重力剛度進一步提高柔性結構的斜拉橋豎橫向整體剛度，以使得斜拉橋鋼混組合截面加勁箱梁滿足高速列車高速運行的要求。

1.5.2　不同材質的加勁梁剛度過渡對鐵路列車走行性影響

混凝土加勁梁板厚而重，剛度相對較大，鋼梁薄板重量輕需要肋板加勁，剛度相對較小，因此，混凝土梁與鋼梁過渡段就存在剛度過渡的問題。使得由剛度最大，漸漸使剛度值減少，有一個比較緩和的剛度過渡段，再與剛度比較小的梁段連接，需要有一個相對比較長的梁段。如果是箱形梁，需要考慮混凝土板內埋鋼板和混凝土隔墻段、鋼箱混凝土段、鋼箱加強段，再連接鋼箱梁。這樣一來，就可以保證鐵路列車在橋上行駛時不至于因為剛度過渡不平緩而影響列車走行的安全性、平穩性和旅客乘坐的舒適性。

1.5.3　邊跨輔助墩支承連續結構對鐵路列車走行性影響

一般的預應力混凝土連續梁結構與同等材質、同跨度的簡支梁相比，就對鐵路列車走行性的影響程度而言，由于荷載作用下連續梁結構變形曲線連續、平滑、圓順，豎向變位相對要小一些，因此，連續梁對鐵路列車走行性優于同等跨度的簡支梁。鐵路鋼箱混合梁斜拉橋邊跨為預應力混凝土連續結構，其上存在著斜拉索豎向分力的作用，荷載作用下連續結構豎向變位相對更小，相比對鐵路列車走行性更具有優越性。不僅邊跨有輔助墩支承，而且邊跨梁端輔助跨更需要對斜拉索起到錨固作用，因此，邊跨梁梁端轉角較小，梁跨也重。高速無砟軌道對梁端的轉角和水平變位均能達到要求，可以說鐵路鋼箱混合梁斜拉橋邊跨連續梁結構不影響鐵路列車的走行性。

1.5.4　鐵路鋼箱混合組合梁斜拉橋動力特性

在主跨468m鐵路鋼箱混合梁斜拉橋的自振特性進計算分析中，考慮橋墩及基礎剛度的影響。由于加勁梁與橋塔之間設置縱向阻尼，按塔、梁約束體系計算，前十階自振頻率見表1-19。

1.5.5　鋼箱混合組合梁斜拉橋車橋耦合動力響應分析

1.5.5.1　計算模型

1.車輛（包括機車）空間振動分析模型

車輛（機車）空間振動分析模型如圖1-79所示，分析中采用以下假定：

①車體、轉向架和輪對均假設為剛體；

②不考慮機車、車輛縱向振動及其對橋梁振動與行車速度的影響；

③輪對、轉向架和車體均作微振動；

④所有彈簧均為線性，所有阻尼按黏滯阻尼計算，蠕滑力按線性計算；

⑤沿鉛垂方向，輪對與鋼軌密貼，即輪對與鋼軌的豎向位移相同；

⑥忽略構架點頭運動及輪對側滾和搖頭運動。

這樣，車體空間振動有：側擺、側滾、搖頭、點頭、浮沉等5個自由度；每個構架有側擺、側滾、搖頭、點頭、浮沉5個自由度；每個輪對有側擺，搖頭等2個自由度，故每輛四軸車輛共有23個自由度，每輛六軸機車共有27個自由度。客車車輛及機車均按二系彈簧計算。

2.橋梁空間振動分析模型

模型利用空間梁單元模擬加勁梁、塔墩柱，利用空間桿單元模擬拉索，按“m法”考慮樁土的共同作用。主跨468m鐵路鋼箱混合梁斜拉橋結構有限單元劃分立面及軸視圖示意如圖1-80所示。

采用鄭武線實測軌道不平順和德國低干擾譜模擬軌道不平順，計算列車選取C62貨車及SS8客車，德國ICE3高速旅客列車，日本500系列車和國產CRH2高速列車。

1.5.5.2　評判標準

1.列車運行安全性與舒適性（客車）、平穩性（貨車）評價指標

采用脫軌系數、輪重減載率來判斷列車運行安全性，用Sperling指標來判斷乘坐舒適性（或運行平穩性）。根據《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》、《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》，并參考歷次提速試驗所采用的評判標準，在車橋動力仿真分析中，列車運行安全性與舒適性（平穩性）的評定指標選取如下：

（1）安全性指標

脫軌系數：≤0.8；　　輪重減載率：≤0.6

（2）乘坐舒適性（對客車車輛）

車體振動加速度：豎向≤0.25g；橫向≤0.20g（中速：≤200km/h）

　　　　　　　　豎向≤0.13g；橫向≤0.10g（高速：≥200km/h）

舒適性評價指標：優良　　<2.50

　　　　　　　　良好　　2.50～2.75

　　　　　　　　合格　　2.75～3.00

（3）運行平穩性（對貨車車輛）

車體振動加速度：≤0.70g=7.0m/s2（半峰值，豎向）

　　　　　　　　≤0.50g=5.0m/s2（半峰值，橫向）

平穩性評價指標：優良　　<3.50

　　　　　　　　良好　　3.50～4.00

　　　　　　　　合格　　4.00～4.25

（4）機車運行平穩性

車體振動加速度：≤0.365g=3.65m/s2（半峰值，豎向）

　　　　　　　　≤0.245g=2.45m/s2（半峰值，橫向）

平穩性評價指標：優良　　<2.75

　　　　　　　　良好　　2.75～3.10

　　　　　　　　合格　　3.10～3.45

2.橋梁動力響應限值

（1）橋梁豎向振動加速度限值：0.35g=3.5m/s2（半幅、有砟軌道）

　　　　　　　　　　　　　　0.50g=5.0m/s2（半幅、無砟軌道）

（2）橋梁橫向振動加速度限值：0.15g=1.5m/s2（半幅）

1.5.5.3　計算工況

1.客貨混運

DF4牽引C62貨車（以下簡稱C62貨車）分別以50、60、70、80km/h通過橋梁，采用鄭武線實測軌道不平順進行計算。

SS8牽引準高速客車（以下簡稱SS8客車）分別以80、100、120、140、160、180、200km/h通過橋梁，采用鄭武線實測軌道不平順進行計算。

2.客運專線

國產CRH2高速旅客列車（以下簡稱國產CRH2）分別以160、180、200、220、250、275、300km/h通過橋梁，采用德國低干擾譜模擬軌道不平順計算。

ICE3高速旅客列車（以下簡稱德國ICE3）分別以160、180、200、220、250、275、300、325、350、375、400、420km/h通過橋梁，采用德國低干擾譜模擬軌道不平順計算。

日本500系高速旅客列車（以下簡稱日本E500）分別以160、180、200、220、250、275、300、325、350、375、400、420km/h通過橋梁，采用德國低干擾譜模擬軌道不平順計算。

3.環境風作用下客貨混運及客運專線

考慮風對列車、橋的共同作用，進行風-車-橋時變系統空間振動響應計算。計算中軌道不平順對客貨混運階段和客運專線階段分別采用鄭武線實測軌道不平順和德國低干擾軌道譜模擬軌道不平順，計算列車偏于安全地選取C62空車、SS8客車、CRH2客車，具體計算工況如下：

①C62貨車空車分別以50、60、70、80km/h通過橋梁。

②SS8客車分別以80、100、120、140、160、180、200km/h通過橋梁。

③CRH2客車分別以160、180、200、220、250km/h通過橋梁。

1.5.5.4　列車運行安全性、舒適性、平穩性分析評價結果

1.無風條件

無風條件下列車運行分析評價結果見表1-20和表1-21。

2.有風條件

強風作用是一個不可回避的問題。對于橋梁的抗風設計，顯然應首先保證橋梁結構本身在風荷載作用下具有良好的空氣動力穩定性，使其臨界風速運大于該橋在一定保證率下橋面上可能達到的最大風速。對于鐵路橋梁在橋面某一量級脈動風作用下（有車風壓）的列車-橋梁系統的動力響應分析以保證列車過橋時具有足夠的安全度和一定的舒適性也是橋梁結構抗風設計的一個重要內容。有風條件下列車運行分析評價結果見表1-22～表1-24。

續上表

1.5.5.5　車橋耦合動力響應分析結論

1.客貨混跑時鄭武線實測軌道不平順譜分析結論

①當C62貨車（v=50～80km/h）、SS8客車（v=80～200km/h）單線或雙線對開通過橋梁時，橋梁的各項動力響應和列車的各項動力響應計算值均在容許值以內。

②當C62貨車（v=50～80km/h）、SS8客車（v=80～200km/h）單線或雙線對開通過橋梁時，列車脫軌系數<0.8，輪重減載率<0.6，列車行車安全性有保障。

③當C62貨車（v=50～80km/h）單線或雙線對開通過橋梁時，機車司機臺處橫、豎向舒適度指標均達到“良好”標準以上；貨車車輛運行橫、豎向平穩性指標達到“合格”標準以上。

④當SS8客車（v=80～200km/h）單線或雙線對開通過橋梁時，機車司機臺處橫、豎向舒適度指標均達到“良好”標準以上；車輛乘客乘坐橫、豎向平穩性指標也均達到“良好”標準以上。

⑤選取我國目前主型貨車即C62貨車進行計算。由于C62貨車采用的是轉8A型轉向架，其運營速度一般只能達到80km/h，故本報告的計算最高車速為80km/h。根據120km/h貨車的歷次動力學試驗數據表明，其動力學性能（車速<120km/h）要優于C62貨車動力學性能（車速<80km/h）許多，故本報告盡管最高計算車速為80km/h，然其計算結果還略偏于安全。

2.對客運專線時德國低干擾譜模擬軌道不平順譜分析結論

①當德國ICE3高速列車、日本500系高速列車及國產CRH2高速列車以160～420km/h單線或雙線對開通過時，橋梁動力響應均滿足要求；各車的車體豎、橫向振動加速度滿足限值要求。

②當德國ICE3高速列車、日本500系高速列車及國產CRH2高速列車以160～420km/h單線或雙線對開通過時，列車脫軌系數<0.8，輪重減載率<0.6，列車行車安全性有保障。

③當德國ICE3高速列車、日本500系高速列車及國產CRH2高速列車以160～350km/h單線或雙線對開通過時，列車的乘坐舒適度均達到“良好”標準以上。

④當德國ICE3高速列車、國產CRH2高速列車以275～300km/h單線或雙線對開通過時，列車的乘坐舒適度均達到“合格”標準以上。

綜合上述分析結果，說明鐵路鋼箱混合梁斜拉橋具有良好的動力特性及列車走行性，列車的行車安全性和乘坐舒適度均滿足客貨混運階段設計時速200km及客運專線階段時速350km的各項要求。