ZK荷载图式对时速400公里高速铁路适应性研究.pdf
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1、米NO.7(Ser.298)JOURNALOFRAILWAY ENGINEERING SOCIETYJul2023报程道学铁2023年7 月第7 期(总2 9 8)文章编号:10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 7-0 0 33-0 7ZK荷载图式对时速40 0 公里高速铁路适应性研究班新林米米李克冰王丽苏永华(中国铁道科学研究院集团有限公司,北京100081)摘要:研究目的:我国ZK荷载图式制定时未考虑40 0 km/h及以上的更高设计速度。本文以运营活载动效应不大于设计活载动效应为原则,通过移动荷载列动力分析,研究ZK荷载图式对高速铁路以40 0 km/h设计和运营的适应性,分析
2、梁体基频对ZK荷载图式适应性的影响,给出时速40 0 公里高速铁路常用跨度简支梁的设计基频建议限值。研究结论:(1)按照440 km/h、48 0 k m/h 检算,梁体动力响应最大值在5 7 Hz范围内随基频增大而快速减小;(2)建议通过调整梁体基频来保证时速40 0 公里高速铁路桥梁采用ZK荷载图式进行设计时设计荷载动效应能够包络运营荷载动效应;(3)时速40 0 公里高速铁路简支梁的基频设计限值可以按照1.1倍设计速度即440 km/h确定,2 0 m24m、32 m、48 m 混凝土简支梁基频建议限值分别取6.2 Hz、5.8 H z、5.1H z、5.1Hz;(4)本文研究思路与结论
3、可为时速40 0 公里高速铁路桥梁设计与规范的修订工作提供参考。关键词:高速铁路;ZK荷载图式;简支梁;基频;时速40 0 公里中图分类号:U448文献标识码:AResearch on the Adaptability of ZK Load Schema to High-speed Railwaywith the Velocity of 400 km/hLI Kebing,WANG Li,BAN Xinlin,SU Yonghua(China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China)Abstrac
4、t:Research purposes:ZK Load Schema was formulated without considering the design speed of 400 km/h andabove.With the rule of dynamic response of operating live load not greater than dynamic response of design live load,the adaptability of ZK Load Schema to the design and operation of high-speed rail
5、way with the velocity of 400 km/h wasresearched by dynamic analysis of moving load train model,the influence of fundamental frequency on the adaptability ofZK Load Schema was analyzed,and the design fundamental frequency limit value of common span simply-supportedbeams applied in high-speed railway
6、with the velocity of 400 km/h was offered.Research conclusions:(1)Taking 440 km/h and 480 km/h as the speed of check-calculation,dynamic responses ofsimply-supported beams decreased rapidly as natural frequency increased in the range of 5 7 Hz.(2)Adjusting thefrequencies of simply-supported beams wa
7、s recommended to assure that dynamic responses of design live load couldenvelop the dynamic responses of operating live load when 400 km/h high-speed railway bridges was designed with ZKLoad Schema.(3)The design fundamental frequency limits of simply-supported beams for high-speed railway withthe sp
8、eed of 400 km/h could be confirmed according to the requirements of 1.1 times of design speed that is 440 km/h,米收稿日期:2 0 2 1-11-2 5基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(P2021C053);中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2 0 2 0 YJ048);国家自然科学基金高铁联合基金项目(U1934205)*作者简介:李克冰,19 8 8 年出生,男,副研究员。2023年7 月程道报铁学34and the suggested fundamenta
9、l frequency limits of 20 m,24 m,32 m and 48 m concrete simply-supported beams wereseparately 6.2 Hz,5.8 Hz,5.1 Hz and 5.1 Hz.(4)The research ideas and results can provide a reference for thedesign of high-speed railway bridges with the velocity of 400 km/h and the revision of specification.Key words
10、:high-speed railway;ZK Load Schema;simply-supported beam;fundamental frequency;400 km/h更高速度高速铁路是世界铁路发展的趋势。我国成渝中线高速铁路设计时速35 0 公里,预留时速40 0 公里运行试验条件,成渝中线的建设标志着我国更高速度高速铁路的工程实现。国内学者对时速40 0 公里高速铁路桥梁的关键参数进行了研究。例如:李小珍1、宋晓东2 等针对莫喀高铁常用跨度简支梁,分析了简支箱梁在CRH2型和CRH3型动车组作用下的动力响应,提出了简支箱梁竖向频率限值;陈星宇等3 采用移动荷载列模型研究提出了2 4
11、6 4m简支梁满足CR400AF型中国标准动车组以40 0 km/h速度运行的基频限值。20世纪9 0 年代起,我国铁科院科研人员通过研究提出了中国高速铁路列车荷载图式ZK荷载图式,确定了高速铁路列车荷载标准的制定原则为“设计荷载动效应不小于运营荷载动效应”立”4,5 。ZK荷载图式制定时未考虑40 0 km/h及以上的更高设计速度,采用的列车荷载也未涵盖我国高速铁路目前主要运行的和谐号系列和复兴号系列高速列车。因此,有必要在考虑新型高速列车的基础上开展ZK荷载图式对高速铁路桥梁以40 0 km/h及以上速度设计和运营的适应性研究。针对设计时速40 0 公里高速铁路常用跨度混凝土简支梁,本文采
12、用移动荷载列模型分析了不同跨度简支梁在不同列车荷载作用下的动力响应,研究了梁体基频对ZK荷载图式适应性的影响,给出了时速400公里高速铁路常用跨度混凝土简支梁的设计基频建议限值。1基基于移动荷载列模型的适应性分析方法1.1移动荷载列模型移动荷载列模型简便易行,可以很好地反映列车对桥梁的周期性激励规律,被广泛应用于各国及各地区高速铁路桥梁刚度设计限值的制定6-8)。移动荷载列模型中,按照列车轴重、轴距将桥上的列车简化为一系列具有一定间距的移动集中力荷载列,如图1所示,其中lw为轴距,l为定距,d为车长,L为桥梁跨度。荷载在桥上以速度匀速通过。桥梁模型采用有限元建立,假设简支梁为等截面(EI为常数
13、),桥梁质量及阻尼特性沿桥跨方向均匀分布。dddL图1移动荷载列模型示意图1.2计算参数本文列车采用CRH380A、CR H 38 0 B和中国标准动车组,16 节编组。CRH380A列车最大轴重15 t,车长2 5 m;CR H38 0 B列车最大轴重17 t,车长2 4.8 2 5 m;中国标准动车组列车最大轴重17 t,车长2 5.6 5 m。简支梁跨度取2 0 m、2 4m、32 m、40 m、48 m、5 6 m、64m,计算跨度分别取19.5 m、2 3.5 m、31.5 m、39.3m、47.1m、5 5.1m、6 2.9 m。二期恒载取16 0 kN/m。梁体的计算频率为1 1
14、0 Hz。1.3控制原则为保证桥梁实际运营荷载产生的动效应不超过设计值,实际运营荷载效应应满足式(1)要求,此时荷载图式对于该速度等级的高速铁路设计是适应的。营静活截效应(1ZK荷裁静效应X(1+)运营静活载效应(1+)Z K 荷载静效应(1+)式中1+运营动力系数;1+设计动力系数。2不同跨度简支梁的动力响应分析采用移动荷载列模型,计算了不同跨度不同基频的简支梁在不同列车荷载作用下的梁体动力响应不同动车组作用下基频为4Hz的32 m简支梁的跨中挠度动力系数如图2 所示。6注:CRH380A;0CRH380B;一一标准动车组420100200300400500列车速度/(kmh-l)图2不同动
15、车组作用下的32 m简支梁动力响应丽李克冰班新林等:ZK荷载图式对时速40 0 公里高速铁路适应性研究第7 期35从图2 中可以看出,中国标准动车组作用下的共振车速与共振响应幅值均最大;CRH380B列车作用下的共振车速与共振响应幅值均最小,说明通过简支梁的车辆长度越大,共振车速越大,对应的简支梁共振响应幅值也越大。在中国标准动车组作用下基频为5 Hz的不同跨度简支梁跨中挠度动力系数如图3所示。从图3中可以看出,在计算速度范围内:第一,2 0 m、2 4m、32 m、48 m 5 6 m 简支梁均发生共振,且均出现在46 0 km/h。共振车速的理论计算值为vres=3.6fd=3.6525.
16、65=461.7km/h,动力计算结果与理论计算值一致。梁体的动力响应值随着跨度的增大而逐渐减小。第二,40 m和6 4m简支梁未发生共振,动力响应要明显小于其他简支梁。这是由于当梁跨与车长比L/d=k+0.5(k=1,2,3.)时,同时满足共振及消振效应的发生条件,且消振起主要作用,即发生共振消失现象。40 m、6 4m 简支梁计算跨径与中国标准动车组车长的比值分别为1.5 3、2.45,消振使得共振受到抑制,动力响应显著减小。注:1220 m;o24m;32m;40m;48m;56m;-64m1086420100200300400500列车速度/(kmh-I)图3不同跨度简支梁的动力响应在
17、中国标准动车组作用下不同频率的32 m、40 m简支梁跨中挠度动力系数如图4所示。随着32 m简支梁基频的增大,共振车速越大。基频的变化对于动力系数最大值影响很小。对于32 m等发生1阶共振的简支梁,提高梁体的基频可以有效提高共振车速,显著降低桥梁动力响应。对40 m等满足1阶共振消失条件的简支梁,提高基频对于梁体动力响应的降低无明显效果。3ZK荷载图式对更高速度高速铁路适应性研究3.1基于现有规范限值的适应性分析我国铁路桥涵设计规范(TB100022017)规定了高速铁路桥梁的竖向基频下限值,如表1所示,还6注:4 Hz;05 Hz;6 Hz543210100200300400500列车速度
18、/(kmh-I)(a)32 m6注:4 Hz;05 Hz;6 Hz541y0100200300400500列车速度/(kmh-1)(b)40 m图4不同基频的32 m、40 m 简支梁的动力响应对不需要进行动力检算的双线简支箱梁竖向基频进行了规定,如表2 所示。表1简支梁竖向自振频率下限值跨度/m限值/HzL2080/L20L12823.58L-0.592注:L为简支梁的跨度。表2 常用跨度双线简支箱梁不需进行动力检算的竖向自振频率限值(单位:Hz)设计速度跨度/m250 km/h300 km/h350km/h20100/L100/L120/L24100/L120/L140/L32120/L1
19、30/L150/L本节计算分析中简支梁梁体基频取规范下限值与设计速度35 0 km/h不需动力检算的规范值,计算得到不同荷载作用下的梁体跨中静挠度与动挠度最大值,检算速度取440 km/h与48 0 km/h,计算结果如表3所示。不同跨度简支梁最大动挠度与考虑动力系数的ZK荷载挠度的比值如图5 所示。从表3与图5 中可以看出:第一,采用基频下限的简支梁静挠度随着跨度的增加而增大,但由于运营动力系数的快速减小,动挠度随着跨度的增加而减小。2023年7 月程报道铁学36第二,对于采用基频下限的简支梁,中国标准动车组作用下的动挠度最大;对于采用不需动力检算基频的简支梁,CRH380B列车作用下的动挠
20、度最大。第三,采用基频下限的2 0 m、2 4m、32 m、48 m 简支梁列车荷载动效应均超过ZK荷载动效应。采用基频下限的5 6 m简支梁列车荷载动效应未超出ZK荷载动效应。第四,检算速度为440 km/h时,采用不需动力检算基频的32 m简支梁列车荷载动效应超过ZK荷载动效应;检算速度为48 0 km/h时,采用不需动力检算基频的2 0 m、2 4m、32 m 简支梁的列车荷载动效应均超过ZK荷载动效应。第五,40 m、6 4m 简支梁在计算速度范围内列车荷载动效应未超过ZK荷载动效应。表3不同荷载作用下的梁体跨中最大动挠度桥梁跨度/m20243240485664基频不需基频不需基频不需
21、基频基频基频基频计算基频下限检算下限检算下限检算下限下限下限下限静挠度/mm4.802.135.902.127.182.999.3310.7111.3812.54ZK荷载设计动力系数1.161.131.091.061.041.021.01动效应5.572.476.662.407.793.249.8711.1011.6012.62静挠度/mm1.970.882.290.822.391.002.863.583.804.10运营动力系数11.062.098.851.864.364.371.802.722.221.24440 km/hCRH380A动挠度/mm21.831.8320.231.5310.
22、434.365.139.738.455.08运营动力系数11.062.468.852.134.364.371.802.722.221.31480 km/h动挠度/mm21.832.1620.231.7510.434.365.139.738.455.38静挠度/mm2.241.002.600.932.721.133.284.094.334.68运营动力系数10.482.509.121.884.074.221.882.772.091.24440 km/hCRH380B动挠度/mm23.512.4923.691.7611.064.776.1711.329.065.81运营动力系数10.483.409
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