铁路重载运输条件下钢筋混凝土涵洞受力特征试验研究.pdf
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1、第 3 6 卷 , 第 6 期 2 0 1 5年 1 1月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI L W AY S C I ENCE V0 1 3 6 No 6 No v e mb e r ,2 0 1 5 文章编号:l O O l 一 4 6 3 2( 2 o 1 5 )0 6 0 0 4 5 一 l O 铁 路重载运输条件 下钢筋混凝 土涵洞 受力特征试 验研 究 刘吉元,苏永华,蔡超勋,殷宁骏 ( 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所 ,北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要:为掌握铁路既有线钢筋混凝土涵洞实际的受力特征,评估其对重载运输的适应性,理论分析涵洞 活载储备量以及货车参数
2、、冲击作用、疲劳荷载对涵洞受力的影响;通过某重载线路的大轴重列车试验,测试 大轴重试验列车和运营列车通过时钢筋混凝土涵洞的静、动力响应。结果表明:3 0 t 轴重货车对涵洞的作用效 应超过运营列车;大轴重列车通过时,理论上小跨度涵洞的活载储备量明显不足 ,但实测状态良好涵洞的受力 水平较低,仍具备一定的承载潜力;涵洞跨中挠度、钢筋应变与大轴重货车的轴重、邻轴距直接相关 ,而与列 车运行速度、货车长度关系较小;实测涵顶填土厚度大于 1 0 12 1 的涵洞仍受到活载的竖向冲击作用,但动力系 数并未随着货车轴重的增加而明显增加 ,且实测列车活载在涵顶填土中的扩散范围大于按现行铁路规范计算的 结果。
3、需要对铁路涵洞动力系数、荷载分布等的计算理论开展进一步研究,以使其进一步地完善 ;在既有线上 开行大轴重列车之前,应对涵洞进行综合评估 ,以确定其合理的改造范围。 关键词:铁路涵洞;重载运输;受力特征;活载储备量;动力系数;荷载分布 中图分类号:u4 4 9 8 文献标识码:A d o i :1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 6 3 2 2 0 1 5 0 6 0 7 铁路重载运输具有运能大、效率高、运输成本 低等优势,已成为大宗货物最为经济有效的运输方 式 。目前既有以运煤为主的铁路线上主要开行轴重 2 5 t 及 以下、牵引质量 1万 t 及 以下 的重载列车
4、 , 继续增大货车轴重、开行长大编组重载组合列车是 提高铁路既有线运输能力 的最佳途径。大轴重重载 运输将使既有线上基础设施尤其是涵洞所受荷载发 生变化 ,既往的研究主要集中在涵洞顶进技术 1 3 、 病害涵洞加固改造3 _ 及测试评估理论 5 等方面, 对于涵洞是否适应新 的大轴重重载运输 尚未见相关 研究。因此 ,本文在理论分析大轴重重载运输对钢 筋混凝土涵洞影响的基础上 ,通过某重载线路上的 大轴重列车试验 ,测试大轴重重载试验列车和运营 列车通过时钢筋混凝土涵洞的静、动力响应,对新 型大轴重货车对涵洞 的影响以及涵洞在重载运输条 件下的实际受力特征进行深入系统的研究 ,为涵洞 强化改造
5、设计提供数据支持。 收稿 日期 : 基金项 目: 作者简介: 1 重载对涵洞影响的理论分析 1 1 既有涵洞的活载储备量 T B 1 0 0 0 2 1 2 O 0 5 铁 路 桥 涵 设 计 基 本 规 范 6 ( 简称为 基本规范 )中规定 ,按中一活载 图式设计 的涵洞 ,在计 算活载对涵洞 的竖 向压力 时,按 图式 中的特种荷载考虑 ,并假定活载在轨底 平面上的横 向分布宽度为 2 5 1 T I ,在路基 内与竖直 线成一定角度向外扩散。 基本规范中关 于荷载 纵、横 向分布的含义可理解为 :设计荷载为中一活 载时 ,涵顶荷载在纵向按 “ 特种荷载集中力在图式 轴距范围内均匀分布”
6、 ,即集中力 P一2 5 0 k N分布 在 1 5 m 范围 内,如 图 1( a )示 ;在横 向按 “ 轨 底平面上 2 5 m横向分布宽度内、在路基 内与竖 直线成一正切为 0 5的角度 向外扩散” ,即 自轨底、 沿轨 枕 两 端 以 2 :1坡 线 向 下 扩 散 ,如 图 1 ( b )示 。 2 0 1 4 0 9 1 0 ;修订 E l 期 :2 0 1 5 0 6 2 4 中国铁路总公 司铁道科学技术研究发展中心科 研项 目 ( J 2 0 1 4 G 0 1 0 ) ,中国铁道科学研究 院行业服务技术创新项 目 ( 2 o 1 4 Y J 0 2 9 ) 刘吉元 ( 1
7、9 8 3 一) ,男 ,山东 临沂人 ,助理研究员 。 4 6 中国铁道科学 第 3 6卷 P P P ( a ) 纵向分布图 ( b ) 横 向分布图 图 1 活载纵、横向分布图示 因此 ,在轨底以下 h深度处 ,活载的竖向压力 q h 可按式 ( 1 )求得 。 一 25 0 q h 一 _ 然而 , 基本规范 中并未说明实 际运营车辆 作用时轴重荷载以何种方式在填土中传递 ;此外 , 当涵顶填土厚度较薄 ( 1 m)时 ,纵 向按轴重 在图式轴距范围内均布的计算方法也与实际情况差 异较大 。综合考虑以上两点 ,分析实际运 营车辆对 涵洞的作用效应时,荷载的横 向分布按照 基本规 范给出
8、的扩散方式计算;纵向分布参照盖板涵通 用 图 肆 桥 5 0 0 9 7 与 框 构 涵 通 用 图 肆 桥 5 0 1 8 _ 8 j 中活载 的计算方式 ,即当涵顶至轨底 填土 厚度小于或等于 1 I T I 时轴重在枕底按 l: 1分布计 算 ,当涵顶至轨底填土厚度大 于 1 I T I 时按照 基 本规范给出的计算方式计算,按影响线加载。列 车编组 中前车后转 向架与后车前转向架的轴重荷载 在填土 中的纵向分布示意图如图 2所示 。 图 2 实际列车荷载纵向分布示意图 既有重载铁路上运营的列 车以 C 6 ,C o 和 C s o 型货车编成的列车为主 ( 简称为运营列车) ,轴 重
9、分别为 2 1 ,2 3和 2 5 t 。试验采用的重载列车 ( 简 称为试验列车 )由以 C 。 s 和 KM。 型为代表 的新 型 重载货车和 C 。 ,G。 ,C 。 型货 车编组而成 ,其 中 C 9 。 和 KM。 型货车的装载轴重均可达 2 7 t 或 3 0 t 。 因此 ,本文以中活载图式设计效应为基准 ,按照 运营列车和试验列车中新型重载货车 ( 装载轴重为 2 7 t 时简称为 2 7 t 试验车 , 装载轴重为 3 0 t 时简称 为 3 0 t 试验车)的车型、轴重参数 ,对跨度 为 1 0 6 0 IT I 涵洞的活载储备量进行理论分析 ,计算公 式见式 ( 2 )
10、,计算结果为 “ 正值”时表示活载储备 量剩余 ,为 “ 负值”时表示活载储备量超出设计效 应值 ,为 “ O ”时表示活载储备量 与设计活载效 应相等 。 活 载 储 备 量 = ( 一 囊 葬 蠢 ) (2 ) 基本规范中规定 ,新建 I级铁路轨下枕底 道砟厚度不应小于 o 3 0 1T I ,新建 级铁路轨下枕 底道砟厚度不应小于 0 2 5 1 T I 。涵顶填土厚度越小 时涵洞受力越不利 ,因此本文按最不利原则取道砟 厚度最小值 0 2 5 m,又因轨枕高度取 0 2 1 I T I ,故 取涵顶最小填 土厚度 h一0 4 6 I T I 。由于填 土厚度 一 1 0 0 m为 2种
11、计算方式的分界点 ( 见图 2 ) ,因 此可将涵顶填 土厚度 h分为 0 4 6 1 0 0 I T I 与 1 0 0 1 -1 1 共 2 个区间。影响涵洞活载储备量的主 要因素为活载 、跨度及涵顶填土厚度 。如其他条件 相同,当 0 4 6 h 1 O 0 r n时涵洞活载储备 量变 化小于 7 ;当矗 1 O 0 m时涵洞活载储备量变化 小于 1 。因此 ,本文仅以 h 一0 4 6 m与 矗 1 O O m这 2 种填土厚度为例 ,分析活载作用下不同跨度 涵洞 的活载储备量。图 3分别给出了填土厚度 h 一 0 4 6 r n , 1 O 0 m时 ,运营列车、2 7 t 试验车和
12、 3 0 t 试验车作用下不 同跨度涵洞的活载储备量 ( 跨 中弯矩 、端部剪力)对 比。 由图 3可知 :在当前运营列 车作用下 ,盖板涵 的跨 中弯矩 、端部剪力储备量分别在 0 2 5 和 0 1 6 之 间,跨度为 l _ 0 m及部分跨度为 2 0 m盖板涵的活载效应 已达到其设 计活载效应 ;在 2 7 t 试验车作用下大多数盖板涵 的活载效应 已达到 或超过其设 计 活载效应 ;在 3 0 t 试验 车作用 下 , 盖板涵的活载效应均超过其设计活载效应 ,最大超 过 2 0 。框构涵顶板跨 中截 面是控 制涵洞承载能 力的关键截面 ,其受力特征与盖板涵 的盖板类似 , 因此框构涵
13、活载储备量的分析可参考盖板涵 ( 后文 4 8 中国铁道科学 第 3 6卷 l O o9 翅 藁 o s 抑 美o 7 0 6 1 O 薹o s 舯 蠡0 7 0 6 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 涵洞跨度, In ( a 1 h = 0 4 6 n l 时跨中弯矩效应比值 1 O 09 j 】 饕 0 8 0 6 I O 。 一 9 篓o s 躲 黠 o O 6 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 涵洞跨度 m ( a ) a = o 4 6 n l 时端部剪力效应 比值 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 1 0 2 ,0 3 0
14、40 5 0 6 0 涵洞跨度, m 涵洞跨度, m ( c ) 1 0 0m时跨中弯矩效应 比值 ( d ) 1 0 0 m时端部剪力效应比值 图 4 不同邻轴距货车作用下不同跨度涵洞的跨中弯矩和端部剪力的效应比值 表 1 不同货车的轴距和邻轴距 2 )车体长度的影响 对于跨度小 于和等于 6 0 r n的涵洞 ,其 上最 多同时作用有 4 个轮轴,即为相邻两节货车前车的 后转向架与后车的前转 向架 ,不会 出现更多轮轴 同 时作用的工况 ,因此货车车体长度对小跨度涵洞结 构的受力无直接影响。 1 3 列车冲击作用的影响 文献 1 】 中采用不同类 型的蒸汽机车,对跨 度在 8 O 3 1
15、7 m 的 7种跨度的混凝土桥梁进行 了 3 0 0 0 次以上的运行试验 ,对试验数据进行统计分 析 ,得到蒸汽机车作用下梁跨长度与动力系数的关 系式 ,即式 ( 3 ) 。 基本规范沿用了此计算方法 , 并规定列车竖向活载包括列车竖 向动力作用,该列 车竖 向活载等于 竖 向静 活载乘 以动力 系数 ( 1 + ) 。对 于涵洞 ,当涵顶 填土厚 度 ( 从轨 底 算起 ) 1 0 m时 ,不计列车竖向动力作用 ;当 1 0 m时,动力系数按式 ( 3 )计算。 1 + 一 1 + 干6 ( 3 ) 其 中 , a= 4 ( 1一 ) 2 式中:L为涵洞的跨度 ,m。 列车通过涵洞时对其产
16、生冲击作用 ,由于轨道 系统 、道砟及填土的缓冲效能 ,列车的冲击作用会 随着填土厚度 的增加 而逐 步衰减 ,填土厚度 大于 1 0 m时列车冲击作用就已经可以忽略不计 6 ,但 实际上 由于轮对状态 、轨道形态以及填土类型等 的 不同 ,可能使得涵顶填土厚度 大于 1 0 m 的涵洞 仍会受到列车冲击作用的影响 。既有线在开行大轴 重列车前,一般会对线路进行优化改造 ,改善轨道 状态 ,新型大轴重列 车也都采用性 能较好 的转 向 架 ,一定程度上对涵洞 的冲击作用会 减小 。因此 , 既有线上开行大轴重列车时涵洞的实际受力状况如 何 尚需通过试验进行验证 。 1 4 疲劳荷载的影响 列车
17、通过时,涵洞受到的疲劳荷载循环次数与 涵洞跨度以及货车的轴距 、邻轴距有关 ,随着涵洞 跨度的增加 ,货车作用的疲劳荷载循环次数逐渐减 少 。以 C 。 型货车为例 ,通过 1 9 r n及其以下跨度 的涵洞时 ,每通过 1 个轮轴就产生 1次疲劳荷载循 环 ,而通过 1 9 6 0 IT I 跨度 的涵洞时 ,1辆车产 生 1次疲劳荷载循环,如图 5所示。因此 ,列车作 用下跨度越小的涵洞受到的疲劳荷载越显著。 文献 1 1 选取 2片跨度为 4 5 m 的铁路低高 度钢筋混凝 土板梁模拟轴重 3 0 t 货车 的活载效应 , 一 竺 1 I 一 第 6 期 铁路重载运输条件下钢筋混凝土涵洞
18、受力特征试验研究 4 9 进 仃 J 3 0 0 0力 次 坡 劳 刀 仃 载 试 验 。试 验 结 呆 表 明 , 在轴重 3 0 t 货 车作用下 ,早期 出现梁体挠度和钢 筋应力增加 、裂缝宽度加大的情况 ,至 5 0 0 - - - 1 0 0 0 万次后趋于稳定 ,梁体受力达到新的平衡状态 ;疲 三 g 互 二 二 = 二 翌 二 二 二 二 图 m 】 三 三 图 三 三 图 劳试验前后 ,在相同荷载条件下 ,梁体跨 中挠度比 在 1 1 3 1 1 8之 问,钢筋应 力 比在 1 1 4 1 3 0 之 间 。 蔼 ) 三 三 二 三 = 二 ( a ) 跨度1 5 m涵洞加载
19、( b ) 跨度6 0 m涵洞加载 图 5 跨度 1 5和 6 0 1T I 涵洞通过 C 8 。 货车时的加载示意图 在盖板涵的盖板及框构涵的顶板设计计算 中, 横 向板宽通常取单位宽度 1 0 1 T I ,简化后 的结构与 简支梁受力性质类似,文献 1 1 对于大轴重货车 作用下钢筋混凝 土梁疲 劳性能 的研 究成果也可 适 用 。开行大轴重重载列车后 ,盖板 ( 顶板)将会出 现钢筋应力增长、裂缝宽度增大的现象 ,经历一段 时间疲劳荷载作用后 ,盖板 ( 顶板)将达到新 的受 力平衡状态,钢筋应力与跨中挠度将有一定程度的 增大 。若涵洞本身已存在较为严重的劣化情况 ,如 钢筋锈蚀等,在
20、荷载和环境共同作用下结构的疲劳 问题会更加突出。 2 试验简介 为了掌握涵洞结构 的实际工作状态 ,在某重载 线路的典型区段内组织开展了大轴重列车试验,测 试试验列车和运营列车通过时钢筋混凝土涵洞结构 的静、动力响应。试验 中共选取了 6 座钢筋混凝土 涵洞 ,包括 3座盖板涵与 3座框构涵 ,其中盖板涵 包含 3 0和 6 0 m共 2种跨度 ,框构涵包含 4 0和 6 0 I I 1 共 2种跨度 ,所选涵洞 的基本信息见表 2 。 表 2 试验涵洞基本信息 试验列车 中包含 2 1 t 轴重 C 6 型货车 、2 3 t 轴 重 C 。 型货车、2 5 t 轴重 C 8 。 型货 车以及
21、 3 O t 轴 重 的 C 。 与 KM。 。 型货车。编组顺序为 :s S 4 机车+客 车 +2 辆 C 9 6 +1 0辆 C 8 o +1 0辆 C 9 6 +7辆 KM9 6 + 1 0辆 C 7 。 +8辆 C 。 +S S 4 机车 ,共 计 5 O辆 ,牵 引 质量为 4 3 6 0 4 6 8 0 t ,列车长度为 6 8 6 6 m。试 验 中 C 9 e 与 KM。 s 型大轴重货车实行分级装载 ,装 载重量逐步增加 ,装载后 轴重分别 为 2 5 ,2 7 ,3 0 t ;每级装载工况下分 6 5和 7 5 k m h 共 2个 速 度档进 行试验 ,装载轴 重为 3
22、 0 t 时增 加 1趟 8 O k m h 速度的试验 。并按照 5 k m h 列车速度 准静态通过时测试的结果进行标定 。在试验期 间还 测试了运营列车作用下涵洞的动力响应。 每座涵洞盖板 ( 顶板)跨 中下缘横 向布置 6个 钢筋应变测点 ,2个竖 向挠度测点 ,轻 、重车线路 上各布置 1个 列车速度测点 ;测试 荷载横 向分 布 时,在对应钢筋应变测点位置处增加 4 个竖向挠度 测点。 5 0 中国铁道科学 第 3 6 卷 3 主要试验结果 3 1 列车轴重作用影响 1 )校验系数 以 K9 5 +7 8 0涵为例,试验列车以 5 k m h 速度准静态通过涵洞时 ,涵洞钢筋应变和
23、跨中挠度 的时程曲线如图 6所示 ,不 同车型在盖板 ( 顶板) 下缘产生的钢筋应变 、跨中挠度如图 7 所示。 实测结果表明:试验列车准静态通过时 ,涵洞 盖板 ( 顶板)下缘钢筋应变、跨 中挠度均随货车轴 重的增加而增加 ;货 车轴重 同为 3 0 t 时 ,KM。 。 比 C 。 。 型货车对涵洞的作用效应大 ;盖板涵和框构涵 的最大钢 筋应力分 别为 1 5 0 MP a ( 应变 为 7 5 1 0 ) ,1 5 6 MP a( 应变 为 7 8 2 1 0 ) ,跨 中挠 度最大值分别为 0 7 9和 0 5 5 mm。将每种车型作 叔 蝠 器 2 0 ; o 查 i l 0 l
24、5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 O 4 5 5 0 5 5 通过时间 s 图 6 涵洞钢筋应力和跨中挠度的时程曲线 用下实测的钢筋应力 、跨 中挠度的最大值与其理论 值 的比值分别定义为应力校验 系数和挠度校 验 系 数,其计算值见表 3 。文献 E 1 3 中给出了钢筋混 凝土涵洞结构校验系数的通常值 ,即钢筋应力校验 系数为 0 5 5 O 6 5 ,挠度校验系数为 0 5 5 O 6 5 。 9 2 +8 2 4 A A A 曩兰10 I K87 +2 83:1 K9 5+ 780 A K9 6+I 48 ; ; : ; o 2 车辆类型 车辆类型 ( a ) 钢筋应变( b )
25、 跨中挠度 图 7 不同车型作用下不同涵洞的钢筋应变及跨中挠度 表 3 试验列车准静态通过时涵洞结构的校验系数 涵洞里 程 应 力校验 系数 C6 4 0 2 1 O 2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0 31 C7 0 0 2 2 O 2 7 0 2 7 0 2 9 0 2 9 0 3 1 C9 8 O 2 1 O 2 7 0 21 O 2 9 O 2 9 0 2 8 KM 9 6 0 2 3 0 2 9 O 2 1 0 3 1 0 3 O O 2 9 挠度校验 系数 C6 4 O 3 7 0 4 3 0 4 8 0 2 8 0 3 4 O 6 3 C7 o O 3 9 O 4 4
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- 铁路 重载 运输 条件下 钢筋混凝土 涵洞 特征 试验 研究
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