跨海铁路轮渡栈桥的设计荷载.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流跨海铁路轮渡栈桥的设计荷载.精品文档.跨海铁路轮渡栈桥的设计荷载桥梁?跨海铁路轮渡栈桥的设计荷载李小江,阎贵平(北京交通大学北京100044)摘要:跨海铁路轮渡栈桥处于特殊环境,在正常作业的情况下,要受到潮位和风,雨,雪,波浪等各种气候条件下自然力的作用,由于特殊的功能需要和特殊的桥梁结构型式,使其承受一些特殊的作用力.提出这些力的计算办法,荷载分类和荷栽组合原则.关键词:铁路轮渡;栈桥;荷栽;设计中图分类号:U448.18文献标识码:B文章编号:10042954(2004)060022051概述铁路轮渡是渡越江,河,湖,海等水域沟通两岸铁路

2、运输的一种特殊交通方式,它包括渡轮,航道水域,栈桥,待渡场等几部分.铁路栈桥是铁路轮渡的重要组成部分,是待渡场线路与渡轮相连接的必须的纽带,是轮渡工程设计中关键的,技术最复杂的部分之一.铁路栈桥系统是由桥面系,梁部结构,墩台基础以及桥上轨道,道岔设备,栈桥连接设备,船桥连接设备,栈桥提升辅助设备等组成的一个相当复杂的系统.一般靠岸第一孔梁铰接于桥台上,中间各墩顶均安设提升钢塔架,梁与梁之间不直接连接,而与提升横梁铰接,由提升横梁形成一个铰接系统,通过提升设备提升或降落横梁,使栈桥能有不同的坡度与当时的水位配合,作业时锁定.栈桥靠船端一般设一孔跳板梁,一端与提升横梁铰接,一端简支于渡轮舷边,横向

3、要能适应渡轮的横向摇摆.在跳板梁的跨间通过支架配设与其结构自重接近的平衡重,使跳板梁在靠船端施加较小的竖向力就能灵活升降.由于跨海轮渡栈桥所处的特殊环境,在正常作业的情况下,要受到潮位和风,雨,雪,波浪等各种气候条件下的自然力的作用,由于特殊的功能需要和特殊的桥梁结构型式,使得其承受一些特殊的作用力.2设计荷载2.1恒载由于铁路轮渡栈桥一般采用钢结构,以焊接为主,大量的焊缝增加了结构的自重,所以铁路轮渡栈桥的收稿日期:20031124第一作者简介:李小江(1964一),男,高级工程师,现北京交通大学在读研究生.22自重要在计算钢材重量的基础上增加焊缝重约1.5%.平衡重:在跳板梁的跨间通过支架

4、配设与其结构自重接近的平衡重,使跳板梁在靠船端施加较小的竖向力就能灵活升降.作用在跳板梁两侧,为两个向上的恒拉力.2.2活载(1)设计活载铁路活载:采用中一活载,但可以根据实际使用的机车车辆及机车类型,将中一活载乘以荷载折减系数后采用.根据港口工程技术规范(JTJ21487)(以下简称港规)通过调车机车时K:0.85.调车机车指轴重力小于200kN,机车整备重力不大于1520kN的蒸汽机车或轴重力小于230kN,机车整备重力不大于1260kN的内燃机车.汽车活载:对于烟大轮渡,考虑汽车放置于另层甲板.铁路轮渡甲板面上停放列车后的富裕空间也停放汽车,故轮渡铁路栈桥还应考虑汽车活载,汽车活载标准应

5、根据可能上船的汽车类型确定.铁路单层栈桥时,汽车从汽车栈桥通过,不考虑汽车与列车同时上下栈桥,汽车活载不与铁路活载共同作用.火车甲板剩余汽车车位很少,因而铁路栈桥不考虑汽车车队荷载,也不考虑履带车荷载,只按单辆汽超一2O重车荷载设计.船舶要求汽车上,下船的速度不应超过5km/h,因此,汽车荷载可不计冲击力.双层栈桥需考虑汽车与列车同时上下栈桥,则汽车活载按与铁路活载共同作用计算.汽车活载采用公路活载标准.由于铁路栈桥桥上坡度很大,应考虑坡道引起的话载的水平分力.当采用两条走行线时,由于采用的活载已经考虑铁道标准设计RA儿WAySTANDARDDE5IGN2004f6)了实际运营荷载而进行了折减

6、,所以按两线加载时,不应再按铁路桥涵设计基本规范(TB10002.199)(以下简称基本规范)的规定进行双线活载的折减.(2)动力系数根据基本规范和铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.299)(以下简称钢规),简支或连续的钢桥跨结构其动力系数为l+l+()检算疲劳时+r=+(2)式中,以m计,除承受局部活载杆件为影响线加载长度外,其余均为桥梁跨度.我国铁路桥梁的强度设计动力系数是根据我国建国以来桥梁动载试验资料,经过分析总结并参考国外规范制定的,主要依据蒸汽机车而定.一般认为内燃机车,电力机车及车辆的动力作用,从机车车辆的构造来说,要比蒸汽机车小一些.从一些桥梁的测试资料来看,列车在较高速

7、度通过时(60120km/h),内燃机车的动力作用影响均相当于蒸汽机车动力作用的75%以下;列车在低速度通过时(60km/h以下),动力作用影响值与速度成线性折减.基于以上理由,原铁路桥梁检定规范规定:内燃机车,电力机车及车辆的冲击系数,其行车速度在60120km/h范围内,在各种桥跨上的值可按对应公式的蒸汽机车值的75%计;其速度在60km/h以下时,可按项求得的值乘以折减系数/Z,/Z=V/60,V为内燃机车,电力机车及车辆行车速度,km/h.烟大铁路轮渡设计为内燃机车牵引,并且栈桥上列车的行车速度不大于10km/h;另外,机车取送作业时加挂隔离车且不上跳板梁,故烟大铁路轮渡栈桥的钢结构强

8、度设计动力系数可参照铁路桥梁检定规范的规定计算,即()0.75丽10=+(3)而对于钢结构检算疲劳的动力系数计算公式(2),钢规编制时,已考虑了我国铁路内燃,电力机车的普遍使用,采用了运营动力系数,就是以内燃,电力机车为动力的货物列车在桥梁上产生的实际的动力作用.但是桥上实际运营列车速度低的因素仍然可以考虑,即按式(2)计算的动力系数可乘以折减系数=V/60,得铁道标准设计RA儿WAY5TANDARDDESIG2004f6)桥梁?()6lO0=+(3)离心力铁路栈桥上道岔曲线半径最小120m,行车最高速度仅为l0km/h,离心力率为c=-o.故设计时离心力可忽略不计.(4)横向摇摆力车的横向摇

9、摆力作用在轨顶面处,其值可按5.5kN/m计算.(5)台背土压力在检算桥台时应考虑码头前沿作为流动起重机械进行装卸作业和各种运输设备通道和货物的倒载场地,参照海港工程设计手册取码头前沿堆货荷载q.20kN/m,不与列车静活载同时作用,取二者产生的侧向土压力大者控制设计.(6)雪荷载F.h式中雪的单位体积重,每lcm积雪厚取0.02kN/m;积雪深度,cm.雪荷载可以不和风载同时考虑.(7)人行道荷载设计主梁时人行道竖向静活载采用4kN/m,且不与列车活载同时计算.作用于栏杆上的水平荷载,可采用1.0kN/m.3其他荷载(1)铁路栈桥制动力按基本规范的规定计算,当采用两条走行线时,有2台机车牵引

10、2列列车在桥上同时作业,同时制动的机率比较高,故必须采用两线的制动力.(2)铁路栈桥的风荷载分正常作业(不超过8级)时的风载和风暴荷载.风荷载强度=K.KK,.(Pa).运营状态,桥上有车,船桥相连,不超过8级风,基本风压强度按基本规范,即V2(Pa)(V为最大风速,m/s)烟台,大连均按8级风,V=20.7m/s,基本风压强度为20?7=267?8Pa23桥梁?风暴时,为停航状态,桥上无车,基本风压强度采用V2(Pa)烟台最大风速V:28.4m/s(相当于10级风的风速),基本风压强度为=28.4=807Pa大连最大风速V:30m/s,基本风压强度为=30=900Pa对于铁路栈桥梁部设计而言

11、,只有横向风载P.参与荷载组合,受风面积为正面投影的实体面积,作用点在受风面积的形心上.纵向风载P.和竖向风载P相对较小,可忽略不计.铁路栈桥桥墩不仅承受横向,纵向风力,除防撞墩外,还要考虑提升塔架所受横向,纵向风力,塔架的横向风力的受风面积应按理论轮廓面积乘以0.4系数;纵向风力与横向风力计算方法相同,塔架按其所受横向风载强度的40%计算.(3)系缆力船舶靠岸时,要把缆绳系在系缆柱上,作用在系缆柱上的力来自于作用于船舶的波浪,潮流及风力.由于影响系缆力的因素很多,限于目前的研究水平,难以用准确的计算方法来确定各种因素综合作用下的系缆力.港规给出了参考的计算公式.当计算的系缆力小于港规给出的数

12、值时,按港规根据我国多年的设计经验总结出的数值采用.参考计算公式如下:纵向系缆力(通过恒张力绞车作用于防撞墩上,风力不超过8级)风向平行船舶纵轴时Pn=KR式中P风产生的系缆力,kN;不均匀系数,实际受力的系船柱为2个时,采用1.2,系船柱多于2个时,采用1.3:n风向平行船舶纵轴时实际受力的系船柱最少数目;系船缆的计算角度,为系船缆的水平投影与船舶纵轴线所成的夹角,为系船缆与水平面的夹角,=15.;R作用在船体上的风压力,R=KqA,kN.其中船舶的风载体形系数,K:0.8;g计算风压,kN/m,g,当船舶长度超过50m时,乘以0.64的折减系数;V为允许船舶作业时的24最大风速,m/s;A

13、船舶空载纵向受风面积,m.横向系缆力(风力不超过8级)风向垂直船舶纵轴时P=忑KRnSlnCOS式中P风产生的系缆力,kN;不均匀系数,取1.3;n风向垂直船舶纵轴时实际受力的系船柱最少数目,设计为n=4;,口为系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角,同上;R作用在船体上的风压力,R=KqA,kN.其中K船舶的风载体形系数,取1.2;g计算风压,kN/m;A船舶空载横向受风面积,m,A=0.08L(L+30)(使用范围L220m);L为船舶总长,133.计算的系缆力小于港规给出的数值,按港规给出的数值表,船舶总长200m,码头前方系船柱的系缆力为500kN.(4)船舶撞击力船舶以一定的速度靠近

14、栈桥作业,不允许直接靠近栈桥接船端,而是靠在靠船墩上,用缆绳缆在系船柱上,然后落下栈桥.靠船墩承受船舶靠近的撞击力,撞击力的大小由船舶的行进速度,靠船墩结构和靠船墩上设置的消能材料的消能性能决定.船舶接触的消能材料和靠船墩结构所吸收的总能量为U=E0=pMV2/2式中E.船舶的有效撞击能量;p有效动能系数,可采用0.70.8;船舶的质量(t),一般按满载的排水量计算;船舶靠近速度.如靠船墩的刚度相对很大,可不计算靠船墩吸收的能量.根据计算的总能量和消能材料的PU曲线可计算出船舶撞击力.船舶的靠船行近速度的确定要考虑下列因素:港口自然条件(风,浪,潮流);码头平面位置(与风,浪,潮流方向的相对关

15、系);船型(船舶性能,装载情况,受风面积大小等);码头结构形式;铁道标准设计RA儿hAySTANDARODESIG2004f6)靠船作业方法等.设计一般为两个靠船墩,每个靠船墩的撞击力考虑撞击能量的不均匀分配,按承受全部撞击力考虑.(5)波浪引起的撞击力作业中船舶受波浪的作用,对防撞墩产生的撞击力由波浪引起的船舶撞击速度(m/s),可按下式计算?L?d式中计算波高,m,采用4%的波高;与计算波高相对应的波浪平均周期,s;一波长,m,:th;1TLB船宽,m;d码头前水深,m;D与船舶计算载重相对应的平均吃水,m;系数,采用橡胶防护设施时取0.22.有效撞击能量为1Eo=cMVb式中E.波浪引起

16、的船舶有效撞击能量,kN?m;c附加水体质量影响系数:空载船舶C=1.1;半载船舶C=1.3;满载船舶C=1.5;船舶的质量,t,按与船舶的计算载重情况相对应的排水量计算;由波浪引起的船舶法向撞击速度,m/s.码头由数个靠船墩组成时,分配在每个墩上的有效撞击能量按下式计算E=K?Eo/n式中n靠船墩个数;K有效撞击能量的不均匀分配系数,当n=23时,K=2.算出每个靠船墩上的有效撞击能量E后,即可根据所采用靠船墩以及防护设施的PU曲线查出最大撞击力P(kN),根据设计防护设施的类型,可从海港工程设计手册附录一查找相应PU曲线.如靠船墩及防护设施的反力一变形成线性关系时,每个靠船墩上的撞击力亦可

17、按下式计算PmaxVb式中c每个靠船墩及其防护设施的综合弹性变形系数,m/kN.(6)栈桥墩台设计要考虑冰压力纵,横向冰压力按结冰时极限冰压力计算,即铁道标准设计RA儿AySTANOARDDESJG2004f6)桥梁?PmARbh式中P极限冰压力,kN;m墩台形状系数,取1.0;尺冰的抗压极限强度,对于海冰,尺一律取750kPa;6冰作用在建筑物上的宽度;A地区系数,取1.0;冰的厚度,取历史上结冰期最大冰厚,取0.61mo防冰措施:提高构件该部分的混凝土强度等级.其范围可取结冰期设计高水位以上0.5m到结冰期设计低水位以下1.0m.(7)水流力(横向)作用于建筑物各构件上的水流力按下式计算式

18、中水流力,kN;K水流阻力系数;A计算构件在与流向垂直平面上的投影面积(当构件上设有钢轨时,其面积应计人),m;水的重度,取10.45kN/m;设计流速,m/s;羊头洼港湾内涨,落潮流速为0.19m/s,涨潮向北,落潮向南;烟台湾内的最大流速为0.18m/s,流向与岸线基本平行;g重力加速度,m/s.水流力的作用方向与水流方向相同,合力作用点位置可近似按下列规定采用:上部构件作用在阻水面积的形心处.下部构件作用在水面以下1/3水深处.(8)波浪力对于有掩护的港内码头,当设计波高在1.0m以下时,栈桥墩台设计通常可不考虑波浪力的作用.梁部所受波压力的计算方法可参考作用在趸船上的波压力的计算方法.

19、当波浪横向作用于梁部时,梁部将引起波浪的局部反射,梁部正面的干涉波高将既大于原始波高,又小于波浪遇直立墙发生完全反射时的立波波高2H.计算时先计算在梁部浸水范围内的局部反射波高H=KH式中,为局部反射系数,K=桥梁?式中波长,m;卜梁部的浸水部分高度,m;d水深,m;,7原始波波峰在静水面以上的高度,m,7=H/2+h.;其中,h.为原始波波浪中心线对静水面的超高值,h.:cth.而干涉波高Hd:H+H当T:d时,由公式求得K=1,故H=2H,即成为立波.在绘制波压力图形时,即把干涉波看成由假想的进行波(波高为H)完全反射形成的立波,于是水深d处的压力强度为p一丝:一c13:水面处的压力强度为

20、H+hPo=(p+yd_式中,h.为假想的立波波浪中心线对静水面的超高.,:竿cfh.在静水面以上H+h处,波压力为0.沿整个高度的波压力图中,从静水面以上H+h.至静水面以下部分的波压力作用给梁部.(9)浮力,浮托力在设计高潮位,渡轮满载时,设计允许梁底适当浸水,浸入水中的梁体受浮力的作用,其大小为水中梁的体积乘以海水的容重.当风浪较大时,栈桥的桥面板或上部结构由于波浪的冲击而受向上的浮托力.有关浮托力,目前尚无适当的计算办法,根据日本港湾设计手册,每1m的浸入波,可取2030kPa.(10)船舶摇摆引起的梁的变位的影响跳板梁,其靠岸一端铰接于提升横梁上,作业时锁定,按固端考虑,其接船端锁扣

21、于船舷上,随船舶的升沉而升沉,随船舶的摇摆而扭转,这种扭转作用对跳板梁的内力影响较大,按梁端承受扭转强迫位移进行梁的内力计算.4荷载分类及荷载组合原则(1)荷载分类上述这些荷载,系缆力,船舶撞击力及船舶摇摆弓26起的梁的变位的影响等对栈桥来说,是经常性的作用,应作为活载.而风力,流水压力,冰压力,波浪力,浮托力等,对栈桥是偶然作用,故作为附加力.荷载分类详见表1.表1荷载分类荷载分类荷载名称结构构件及附属设备自重平衡重土压力基础变位的影响列车活载汽车活载动力作用主力恒载活载离心力横向摇摆力雪荷载活载土压力人行道及栏杆的荷载系缆力船舶撞击力船舶摇摆引起的变位的影响制动力或牵引力风力流水压力附加力

22、冰压力温度变化的作用波浪力浮力,浮托力地震力特殊荷载施工临时荷载(2)荷载组合应遵循以下原则对实际有可能同时作用在建筑物上的各种荷载,应按其可能发生的最不利情况分别进行各种组合.对同一建筑物的不同计算项目(如结构构件计算和整体稳定计算等),应分别按各自的最不利情况进行荷载组合.对受水位影响的建筑物,在进行荷载组合时,应把水位作为一个重要组合条件.在荷载组合中,对两个或两个以上其各自出现机率均较小的荷载,由于彼此相遇的机率更小,可不把它们组合在一起.当荷载组合中包括施工荷载时,一般应作为校核组合.根据以上荷载组合的原则,就可按照有关的铁路桥涵设计规范对铁路轮渡栈桥各部分构件进行设计检算.参考文献:1JTJ21487,港口工程技术规范S.2TB10002.299,铁路桥涵设计基本规范fS.铁道标准设计RA儿k/AYSTADARDDESIG2004f6J