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1、铁路悬索桥的几个重要技术指标探讨 兼议悬索桥加劲梁选型,热烈欢迎各位领导、各位专家、各位同仁！,汇报内容,铁路悬索桥 1 适合于通行铁路的认识 2 加载模式 3 竖向刚度的判别指标 4 横向刚度的判别指标 5 主缆强度安全系数 主缆与鞍座间抗滑移安全系数加劲梁选型 7 悬索桥加劲梁的发展历史 8 我院设计的众多悬索桥的主梁选型 9 国内某大跨度悬索桥主梁选型的教益,1.1 古老的桥型：历史的回顾 1.2 布鲁克林桥 1.3 悬索桥刚度的来源 1.4 重力刚度的实质 物理意义 数学表表达 1.5 著名的公铁两用悬索桥濑户大桥著名的公铁两用悬索桥4月25日桥著名的公铁两用悬索桥青马大桥著名的公铁两
2、用悬索桥墨西拿大桥 1.6我国铁路悬索桥建设的序幕已经拉开（必要性、基于受力特性、基于建设技术） 1.7 我院应当成为铁路悬索桥建设的先行者,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.1 古老的桥型：历史的回顾,就像“横木为梁”一样，悬索桥源于热带地区的藤类植物。以树为塔、以藤为索、以木为梁、以石块为锚，就成了古老的悬索桥。,1.1 古老的桥型：历史的回顾,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,我国的泸定铁索桥是世界最早的金属材料建成的悬索桥。该桥长1026米，宽297米，高165米，以9根铁链作底索，上铺木板，形成桥面。1935年5月29日，22位
3、红军勇士在这里“飞夺泸定桥”。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.1 古老的桥型：历史的回顾,1935年5月29日，22位红军勇士在这里“飞夺泸定桥”。,布鲁克林桥建成于1883年，与帝国大厦和昔日的世贸中心双子塔楼一道，一直是纽约的标志性建筑。主跨1596英尺、126岁的布鲁克林桥至今使用良好。 “基地”组织曾密令割断纽约布鲁克林大桥上的悬索，同时阴谋颠覆旅客列车，制造大规模恐怖行动,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.2 布鲁克林桥,J.A.Roebling在设计世界第一座长大跨度悬索桥 Niagara桥时，认识到重力刚度的重要性，该桥跨度821英尺，建成于1855年，平
4、稳通过了铁路机车。见证了悬索桥通行铁路的历史。布鲁克林桥的设计者J.A.Roebling在1855年给桥梁公司的信中写道：“自重是一项重要的影响因素，对悬索桥的刚度影响尤其大”，这种来源于自重恒载的主缆的几何刚度被称为重力刚度。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.3 悬索桥刚度的来源,重力刚度（Gravity Stiffness）实际上反映主缆的拉力，直观的表达式为HL2，反映到结构刚度矩阵上是轴力与单元长度的比值N/L（受拉为正，受压为负）。 主缆拉力越大，绷得越紧，受荷载作用抵抗变形的能力越强，这就好比拧紧后二胡的琴弦，用手指拨动感受其拉力，发出的音反映其源于几何刚度的振动频率。
5、,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.4 重力刚度的实质 物理意义 数学表表达式,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.5 著名的公铁两用悬索桥濑户大桥,濑户大桥下层桥面布置四线铁路（实际只通行两线），包括主跨1100米的南备赞桥和主跨990米的北备赞桥，专门开发了将梁端转角和梁端纵向位移分开的伸缩调节器，列车行驶速度160Km/h，运行情况良好。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.5著名的公铁两用悬索桥4月25日桥,公铁两用悬索桥，主跨跨度1013m，上层桥面六车道公路，下层桥面通行两线客车。梁端转角达到25，致使列车行驶速度限制在60Km/h。,1. 大跨度悬索桥适
6、合于通行铁路的认识,1.5 著名的公铁两用悬索桥青马大桥,主跨1377米公铁两用桥梁，两线铁路、六车道公路。,主梁：钢桁梁为主体受力结构。大风时，汽车在箱内通行。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.5 著名的公铁两用悬索桥墨西拿大桥,世界最大跨度桥梁，主跨3300米，通行两线重载铁路和六车道公路。主缆直径超过1.2m（按4根算），梁端转角和纵向位移都达到创纪录的数值。,主梁采用了抗风性能极好的断面形式，保障了超大跨度悬索桥的抗风安全。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.6 我国铁路悬索桥建设的序幕已经拉开,我国是悬索桥的故乡，一般认为：用金属材料做主缆的悬索桥发源于我国西藏
7、，始建于1632年。我院独立设计了国内第一座现代悬索桥广东汕头海湾大桥；我院设计的悬索桥形式各异，具有根据不同的建设条件灵活设计悬索桥的传统。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.6.1建设的必要性,在长江中下游、海峡、海湾，通航要求的宽度越来越高，通航管理部门在批准通航净空时，参照公路桥的标准，客观要求建设跨度超过1000的悬索桥，形势紧迫！悬索桥具有相当程度的比较优势。基于减少桥梁墩台的阻水比列，减少建桥对河势、水文的变化，要求在合适的桥位建设铁路悬索桥。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.6.2发展的可行性基于受力特性,由高强度钢丝编织而成的主缆是受拉结构，没有受压失稳
8、的问题；主缆全长范围内没有截面削弱； 主梁称之为加劲梁，基本不受轴向力，主梁的受力与跨度没有必然联系； 主塔纵向受到主缆强劲的约束，稳定问题不突出，高度的选择范围大； 锚碇可以设计成重力式结构； 吊索是竖直拉索，没有弹性模量折减问题，风振问题不突出；,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.6.2发展的可行性基于建设技术,进入新世纪以来，我国材料工业取得长足进展，主缆高强度钢丝在极限强度、韧性、质量保证率、大规模工业化制作方面上了新的台阶；结构钢的材料、制造技术取得突破；相关实验、研究先进；,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.7 我院应当成为铁路悬索桥建设的先行者,作为铁路桥梁设
9、计单位，同时独立设计了形式各样悬索桥的中铁大桥设计院，理应先行一步，推动铁路桥梁向更大跨度、更好的适应性发展；是实践科学发展观、加快转变发展方式、统筹交通建设发展对我院的要求；我院在芜湖桥、天兴州桥方案研究中进行了有益的探索，有一定技术基础。,1. 大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识,1.7 我院应当成为铁路悬索桥建设的先行者,综上所述：铁路悬索桥建设具有紧迫性，也是完全可行的。结合琼州海峡跨海通道和淮扬镇铁路五峰山公铁两用大桥的研究，实现突破，我院年轻技术人员要勇于担当。当前，迫切需要深入研究铁路悬索桥的关键技术，基于铁路建设遵循的“安全适用、技术先进、经济合理”原则，编制“铁路悬索桥设计计算
10、补充规定”；为了编制“铁路悬索桥设计计算补充规定”，提出探讨“铁路悬索桥的几个重要技术指标”。,2大跨度铁路悬索桥技术指标之一加载模式,2.1 基本要求 2.2 牵引定数、到发线长度 2.3 旅客列车的加载长度,2大跨度铁路悬索桥技术指标之一加载模式,2.1 基本要求,货车按照技术标准规定的牵引定数（牵引质量）加载，客运专线按ZK荷载的荷载集度加载，规定ZK荷载加载的最大长度不超过450m。以前的加载模式不限长度、不限重量，按影响线长度加载。大跨度铁路悬索桥某些影响线的长度（如主缆拉力、主梁挠度）大于火车的长度。,2大跨度铁路悬索桥技术指标之一加载模式,2.2 牵引定数、到发线长度,牵引质量作
11、为铁路设计的技术标准，系由运输需求决定，与限制坡度、机车类型，到发线长度密切相关，是整条线路的标准，桥梁设计中当贯彻执行。货运列车的到发线有效长度也是整条线路的技术标准，与列车长度（包括机车长度和车辆长度），安全停车附加距离，邻近线路的到发线长度，车站间的距离相关。 到发线长度=站台长度+2x(测速视距误差的安全防护距离约95m+警冲标记到绝缘节的距离约5m），站台长度=列车长度+2x停车余量。,2大跨度铁路悬索桥技术指标之一加载模式,2.2 牵引定数、到发线长度,当牵引机车的类型、机车台数、足坡站间距离确定后，牵引质量与到发线长度存在对应关系。对桥梁加载而言，牵引质量较之到发线长度意义更明确
12、。同一条线上前后两列列车有追击距离的要求，追击距离必然大于桥跨的联长，可以认为全桥每线仅可能有一列列车荷载。,2大跨度铁路悬索桥技术指标之一加载模式,2.3 旅客列车的加载长度,对于客货分线桥梁，不存在特殊情况下火车借道客运线的情况，客车按实际可能的客车最大重量加载。依据高速铁路设计规范条文说明（TB10621-2009）：认为ZK荷载用于高速客运列车，有合理的余量，不是考虑特殊情况下重载列车通行的结果。条文说明还规定：客运专线的加载长度为16列编组的CRH1型，长2x214=428m，站台长度考虑停车余量后取450m，对应的到发线长度为650m； 客运专线的加载长度不应超过站台长度，按留有余
13、量取450m,3 大跨度铁路悬索桥技术指标之二竖向刚度指标,3.1 基本要求 3.2 我国铁路钢桥设计规范的使用范围 3.3 挠跨比的本质认识3.3.1大跨度铁路悬索桥与中小跨度桥的不同点3.3.2我国客运专线设计暂行规定3.3.3欧洲规范的规定3.3.4源于挠度曲线切线角的最大纵坡3.3.5挠度曲线形成的波长3.3.6 列车爬坡能力3.3.7 墨西拿大桥的规定 3.4 梁端转角与伸缩量3.4.1 规范的规定3.4.2 梁端转角对行车的影响3.4.3 减小梁端转角的措施,3 大跨度铁路悬索桥技术指标之二竖向刚度指标,3.1 基本要求,基于车桥耦合振动的动力响应和梁端转角，活载和温度变形引起的纵
14、向连续坡度进行规定，不把主梁挠跨比和结构自振频率作为强制性指标。,车桥耦合振动的动力响应：按技术标准规定的行车速度、桥面形式，满足相应现行规范规定的脱轨系数、轮重减载率、轮对横向水平力、车体振动加速度、斯佩林系数的要求。梁端转角：按技术标准规定的行车速度、桥面形式，满足相应现行规范规定梁端转角的要求。,3 大跨度铁路悬索桥技术指标之二竖向刚度指标,3.2 我国铁路钢桥设计规范的使用范围,铁路桥涵设计基本规范（TBJ10002.12005）总则1.0.2条规定本规范适用跨度：混凝土梁跨度小于或等于96m，钢梁跨度小于或等于168m。我国客运专线铁路设计暂行规定：桥梁跨度不大于96m。特大跨度桥梁
15、适应列车行驶、满足使用要求对于结构刚度指标的要求与中小跨度桥梁有本质的区别，有必要基于现行规范的精神，对大跨度铁路悬索桥的刚度指标进行规定。,3 大跨度铁路悬索桥技术指标之二竖向刚度指标,3.3 挠跨比的本质认识,铁路桥涵设计基本规范对于挠跨比的规定源于通过挠跨比限制梁端转角，采用假定的挠度曲线方程推导，其本质是规定主梁的梁端转角，通过转换借用挠跨比这一直观的参数； 多个等跨、中小跨度的简支梁挠度曲线会形成短波长的竖向不平顺，动力响应上得到反映； 挠跨比相同时，大跨度悬索桥挠度曲线的曲率半径远大于中小跨度桥，可直接反映到轨道挠曲应力和车体竖向加速度。,3.3.1大跨度铁路悬索桥与中小跨度桥的不
16、同点,3 大跨度铁路悬索桥技术指标之二竖向刚度指标,3.3 挠跨比的本质认识,3.3.2挠跨比的本质认识我国客运专线设计暂行规定,高速铁路设计规范（TB10020-2009）基于小跨度和中等跨度的单跨简支梁和多跨等跨简支梁研究了主梁挠跨比与包括脱轨系数、轮重减载率、轮对横向水平力、桥面板加速度的关系，以动力特性、通过对比得出了对于主梁挠跨比的规定，以挠跨比这一简明扼要的参数实现对动力指标的规定,3 大跨度铁路悬索桥技术指标之二竖向刚度指标,3.3 挠跨比的本质认识,3.3.3挠跨比的本质认识欧洲规范的规定,欧洲规范基于多跨简支梁得出速度与挠跨比的曲线，跨度越大，允许的挠跨比越大。该规范同时指出：对跨度大于120米的桥梁，应该专门研究；对连续梁，则可以在查表的基础上乘系数。规范同时规定：如果表示动力响应的车体竖向加速度要求可以降低，挠跨比的要求按统一比例降低，可见本质上还是动力响应。,3 大跨度铁路悬索桥技术指标之二竖向刚度指标,
