公铁两用桥计算书2010726.doc

6 东侧横门水道主跨780m公铁两用钢桁斜拉桥计算分析6.1结构静力分析6.1.1模型建立采用有限元分析软件MIDAS建立由板、梁、索单元组成的三维空间有限元模型。主塔、主桁、横联和桥面纵横梁等均采用直线梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，U肋折算成板厚计入模型，斜拉索采用桁架单元模拟。全桥共2765个节点，共7307个单元。图6.1-1桥梁有限元模型6.1.2 设计参数确定（1）材料参数钢材：弹性模量E=2.1e11Pa，松泊比=0.3，线膨胀系数=1.2e-5。斜拉索：弹性模量 E=2.0e11Pa，松泊比=0.3，线膨胀系数=1.2e-5。C50混凝土：弹性模量 E=3.55e10Pa，松泊比=0.2，线膨胀系数=1.0e-5。（2）边界条件塔底承台直接固结。因为阻尼器的存在，在不考虑制动力工况下，全桥无顺桥向约束。在考虑制动力工况下，阻尼器参与抵抗制动力，两个主塔均考虑为塔梁固定支座。具体边界条件见下表。表6.1-1边界条件表纵向位置UxUyUzRxRyRz边墩011000辅助墩011000桥塔011000注：0表放松，1表约束（3）设计荷载一期恒载：主塔、索根据构件实际容重计算，钢桁梁采用整体节点板，故考虑1.3的构造系数。二期恒载：二期恒载按300kN/m计算。公路桥面铺装6cm环氧沥青混凝土+防撞栏杆；铁路桥面二期恒载包括混凝土道砟槽、道砟、轨道结构和辅助附属结构等。活载：公路活载按8车道加载，汽车荷载等级按公路-级取用；铁路活载按两线中-活载加载。（4）支座沉降：按不均匀沉降主塔基础3cm，其他基础2cm考虑。（5）温度体系温差：混凝土主塔15，斜拉索、钢梁及桥面板30；局部温差：主塔5、索梁温差10。（6）风荷载：极限风：34m/s。（7）制动力：铁路制动力，按单线列车的10%确定。（8）列车横向摇摆力：按规范取100kN作用于最不利位置。（9）冲击系数：公路冲击系数按公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004中规定计算。铁路冲击系数按铁路桥涵设计基本规范中规定计算。6.1.3荷载组合荷载组合有以下几种：组合一（恒载）：一恒+二恒+基础沉降+压重荷载。组合二（主力）：恒载+活载。组合三（主+纵附）：主力+温度+制动力+顺风。组合四（无车）：恒载+顺桥向风力。组合五（主+横附）：主力+温度+横向有车风+横向摇摆力。组合六（无车）：主力+横桥向风力。6.1.4静力计算计算主要侧重于成桥状态下主要构件的结构的刚度验算和强度验算。结果汇总如下。以下所有结果单位均如下：力kN，长度mm，应力MPa，应力以拉为正，压为负。（1）结构刚度结构竖向、横向刚度结果汇总见下表：表6.1-2 刚度结果汇总项 目荷 载数值（mm）挠跨比主跨跨中挠度（cm）0.9两线中-活载+0.75八车道公路级荷载-903.71/8631/650梁端竖向转角（rad）0.9两线中-活载+0.75八车道公路级荷载1.220HzF(f)=1.026HzF(f)=1.0在ADAMS/RAIL中，为计算W，分别输入横向（y）及垂向（z）的加速度，对加速度信号进行滤波后，按Sperling方法计算这个指标。根据铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准TB/T2360-96，依平稳性指标W确定机车运行平稳性等级的评判标准如下：W2.75 平稳性等级优2.75W3.10 平稳性等级良好3.10W3.45 平稳性等级合格根据铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范GB5599-85，依平稳性指标W确定客车运行平稳性等级的评判标准如下：W2.5 平稳性等级优2.5W2.75 平稳性等级良好2.75W3.0 平稳性等级合格依平稳性指标W确定货车运行平稳性等级的评判标准如下：W3.5 平稳性等级优3.5W4.0 平稳性等级良好4.0W4.25 平稳性等级合格综上所述，本文所采用的列车运行安全性和舒适性评判标准如下：脱轨系数Q/P：0.8 轮重减载率：0.6车体加速度： 客车：竖向0.25g；横向0.20g （中速：200km/h） 竖向0.13g；横向0.10g （高速：200km/h） 货车：竖向0.70g；横向0.50gSperling舒适度指标：客车：2.5 优；2.52.75 良；2.753.0 合格 货车：3.5 优；3.54.0 良；4.04.25 合格机车：2.75 优；2.753.10 良；3.103.45 合格车辆舒适度和平稳性评价标准如表6.3-4表6.3-4 车辆舒适度和平稳性评价标准舒适度（人对振动的感觉）振动平稳性（车辆）1感觉有振动优2感觉明显振动良好2.5明确地感到振动、感觉舒服3振动强烈而不规则，但能够忍受可以满足3.25振动非常不规则，感觉不舒服3.5振动极端不规则，时间长则不能忍受4极端不舒适，时间长则对人体有害允许运行4.5不允许运行5危险（2）桥梁动力响应限值梁体振动过大会使桥上线路失稳，影响列车运行安全，同时桥梁疲劳强度降低。因此对桥梁的变形和振动加速度需要限制。参照铁路桥涵检定规范，采用桥梁动力响应限值如下： 在单线条件下，对于有碴轨道，桥梁的最大垂向加速度0.35g，对于无碴轨道，桥梁的最大垂向加速度0.5g；桥梁最大横向加速度0.14g。6.3.4 车桥耦合动力分析结果（1）自振频率及振型该桥的第一阶横向频率0.164Hz，第一阶竖向频率0.284Hz。振型如图6.3-13和图6.3-14所示。 图6.3-13 第一横向振型（主梁对称横弯,f=0.164Hz）图6.3-14 第一阶竖向振型（对称竖弯,f=0.284Hz）（2）车桥耦合动力分析计算结果1）桥梁振动响应计算结果桥梁的各跨和塔顶测量点位置如图6.3-15所示：列车行车侧为外侧，非行车侧（空线路侧）为内侧。图6.3-15 桥梁的各跨和桥墩编号表6.3-5 桥梁动位移响应计算结果表（单位：mm）车型车速(km/h)第1跨桥面跨中第2跨桥面跨中第3跨桥面跨中第4跨桥面跨中第5跨桥面跨中1号塔顶2号塔顶1号墩顶2号墩顶3号墩顶4号墩顶横向竖向横向竖向横向竖向横向竖向横向竖向横向横向横向横向横向横向CRH2动车组2000.1975.3530.22418.5440.79377.8100.17818.6490.1885.4180.3490.3520.0500.0860.0700.0432500.2005.3210.20920.1620.67679.7980.15321.4200.1865.9070.4260.3920.0360.0770.0680.037SS8+双层客车1200.2406.7320.22420.9260.902101.5040.24520.9490.2366.8490.4430.4530.0450.0810.0870.0481400.2306.7910.23721.7030.817101.7670.22620.8790.2456.5190.4490.4500.0470.0860.0850.0471600.2336.7400.26022.1740.932101.6710.21122.7000.2336.3870.4610.4290.0640.0950.0840.048DF4+C62重货600.44115.9740.44753.1081.172190.0960.44453.6700.45017.3710.8590.8890.1120.1820.1820.109700.46716.8290.46055.8821.347190.5560.44654.3180.43816.7730.8810.8640.1220.1910.1890.111800.45616.6690.41754.0301.134190.7320.46754.1660.45517.4230.8750.8580.1130.1780.2000.113表6.3-6 桥梁加速度响应计算结果表（单位：m/s2）车型车速(km/h)第1跨桥面跨中第2跨桥面跨中第3跨桥面跨中第4跨桥面跨中第5跨桥面跨中1号塔顶2号塔顶1号墩顶2号墩顶3号墩顶4号墩顶横向竖向横向竖向横向竖向横向竖向横向竖向横向横向横向横向横向横向CRH2动车组2000.0070.0400.0060.0660.0070.0260.0060.0410.0080.0300.0030.0030.0030.0030.0050.0052500.0030.0660.0060.0500.0060.0260.0040.0350.0030.0550.0020.0030.0020.0050.0020.002SS8+双层客车1200.0050.0360.0100.0500.0100.0710.0090.0300.0050.0530.0030.0030.0030.0030.0030.0021400.0070.0350.0110.0470.0120.0500.0110.0430.0050.0490.0030.0030.0040.0040.0030.0031600.0040.0360.0120.0320.0090.0550.0100.0290.0060.0390.0030.0020.0030.0040.0030.002DF4+C62重货600.0100.1260.0100.0620.0150.0960.0110.1240.0110.1580.0060.0060.0050.0060.0070.006700.0110.1980.0120.1550.0200.1270.0180.1200.0120.1740.0070.0080.0040.0060.0070.005800.0110.2220.0150.1200.0230.1330.0240.1830.0100.2150.0130.0100.0050.0070.0070.0062）车辆振动响应计算结果表6.3-7 车辆的响应结果表列车类型列 车速 度(km/h)动车拖车脱轨系数Q/P轮重减载率P/P轮轴横向力(kN)竖向加速度(m/s2)横向加速度(m/s2)Sperling舒适性指标脱轨系数Q/P轮重减载率P/P轮轴横向力(kN)竖向加速度(m/s2)横向加速度(m/s2)Sperling舒适性指标竖向横向竖向横向CRH2动车组2000.4220.37330.1000.8710.8072.2532.5660.3690.37426.7230.8190.8962.1452.5302500.5000.48333.0961.0620.9462.5062.6220.4200.42932.5650.9320.9352.4172.661SS8+双层客车1200.4030.38343.7641.0230.7332.3952.5160.3360.35633.1541.0720.7162.2202.3661400.4510.42347.4191.2600.8692.4692.6730.3440.39533.4561.1750.8422.4452.4001600.4940.48054.3521.5150.9122.6252.8390.3890.45038.6231.2220.9322.5132.501DF4+C62重货600.3940.40847.6361.5871.2872.6662.5660.4080.44837.1632.5721.9603.1413.085700.4960.48849.9552.0461.7322.8652.7830.4580.46047.0973.6052.2733.4593.320800.5280.56852.8852.5711.8573.1212.9740.5260.49355.1384.2613.0753.6633.7023）车桥动力分析评判结果表6.3-8 分析评判结果表列车类型车速km/h轨道不平顺列车行车安全性乘坐舒适性车体加速度桥梁动车拖车动车拖车横向加速度横向位移竖向横向竖向横向CRH2动车组200德国低干扰谱满足优良优良合格合格合格合格250满足良良优良合格合格合格合格SS8+双层客车120美国六级谱满足优优优优合格合格合格合格140满足优优优优合格合格合格合格160满足优良良良合格合格合格合格DF4+C62重货60美国五级谱满足优优优优合格合格合格合格70满足良良优优合格合格合格合格80满足合格良良良合格合格合格合格（3）结论1）东侧横门东水道大桥主桥采用的双塔双索面斜拉连续钢桁梁方案，桥梁振动加速度满足垂向不大于0.35g和横向不大于0.14g的要求，满足行车安全要求。2）DF4+C62重货以6080km/h速度通过时，跨中最大动挠度值为190.732mm，相应挠跨比为1/4089。3）各车辆编组以各个速度通过时，轮重减载率均小于0.6，脱轨系数均小于0.8，轮轴横向力小于限值，行车安全性满足要求；随着车速的提高，各值均已接近限值。4）采用德国低干扰谱转换的时域不平顺作为激励源，CRH2动车组以200250km/h通过时，动拖车竖向舒适度为优或良，动拖车横向舒适度为良；车体加速度合格。6）采用美国六级谱转换的时域不平顺作为激励源，SS8机车和双层客车以120160km/h速度通过时，动车竖向舒适度为优，横向舒适度为优或良，拖车各舒适度为优或良；车体加速度合格。7）采用美国五级谱转换的时域不平顺作为激励源，DF4机车和C62重货以车速6080km/h通过时，机车舒适度为良或合格，重车平稳性指标也为良；车体加速度合格。