1.5 钢箱混合组合梁斜拉桥对铁路列车走行性影响
1.5.1 钢箱梁对铁路列车走行性影响
横向风力、列车摇摆力、曲线桥梁列车离心力和双线铁路单线行车荷载都会对铁路斜拉桥的结构扭转产生影响，钢箱加劲梁是封闭型结构，能够提供足够的抗扭刚度。同时，钢箱加劲梁的横向宽度不受约束，因为桥面除了斜拉索以外不与其他受力构件相连接，仅仅是与钢箱梁两侧的斜拉索锚固。当桥面比较宽时，横桥向斜向布置的斜拉索与比较宽的钢箱梁，加上桥塔可以共同提供较大的横向刚度。钢箱梁桥面板每隔约3m距离设置横隔板，钢箱梁顶板采用V形肋或U形肋加劲形成正交异性钢桥面来满足顶板的局部振动和稳定。因此，斜拉桥钢箱加劲梁可以满足铁路列车走行性要求。当加劲梁桥面需要通行高速列车而铺设无砟轨道满足时，可以将钢箱顶板采用混凝土预制板，这样一来，既可以能够很好地与无砟轨道底座板连接，又可以获得较大的加劲梁重力刚度进一步提高柔性结构的斜拉桥竖横向整体刚度，以使得斜拉桥钢混组合截面加劲箱梁满足高速列车高速运行的要求。
1.5.2 不同材质的加劲梁刚度过渡对铁路列车走行性影响
混凝土加劲梁板厚而重，刚度相对较大，钢梁薄板重量轻需要肋板加劲，刚度相对较小，因此，混凝土梁与钢梁过渡段就存在刚度过渡的问题。使得由刚度最大，渐渐使刚度值减少，有一个比较缓和的刚度过渡段，再与刚度比较小的梁段连接，需要有一个相对比较长的梁段。如果是箱形梁，需要考虑混凝土板内埋钢板和混凝土隔墙段、钢箱混凝土段、钢箱加强段，再连接钢箱梁。这样一来，就可以保证铁路列车在桥上行驶时不至于因为刚度过渡不平缓而影响列车走行的安全性、平稳性和旅客乘坐的舒适性。
1.5.3 边跨辅助墩支承连续结构对铁路列车走行性影响
一般的预应力混凝土连续梁结构与同等材质、同跨度的简支梁相比，就对铁路列车走行性的影响程度而言，由于荷载作用下连续梁结构变形曲线连续、平滑、圆顺，竖向变位相对要小一些，因此，连续梁对铁路列车走行性优于同等跨度的简支梁。铁路钢箱混合梁斜拉桥边跨为预应力混凝土连续结构，其上存在着斜拉索竖向分力的作用，荷载作用下连续结构竖向变位相对更小，相比对铁路列车走行性更具有优越性。不仅边跨有辅助墩支承，而且边跨梁端辅助跨更需要对斜拉索起到锚固作用，因此，边跨梁梁端转角较小，梁跨也重。高速无砟轨道对梁端的转角和水平变位均能达到要求，可以说铁路钢箱混合梁斜拉桥边跨连续梁结构不影响铁路列车的走行性。
1.5.4 铁路钢箱混合组合梁斜拉桥动力特性
在主跨468m铁路钢箱混合梁斜拉桥的自振特性进计算分析中，考虑桥墩及基础刚度的影响。由于加劲梁与桥塔之间设置纵向阻尼，按塔、梁约束体系计算，前十阶自振频率见表1-19。
表1-19 前十阶自振频率振型特征表
1.5.5 钢箱混合组合梁斜拉桥车桥耦合动力响应分析
1.5.5.1 计算模型
1.车辆（包括机车）空间振动分析模型
车辆（机车）空间振动分析模型如图1-79所示，分析中采用以下假定：
图1-79 车辆（机车）空间振动分析模型
①车体、转向架和轮对均假设为刚体；
②不考虑机车、车辆纵向振动及其对桥梁振动与行车速度的影响；
③轮对、转向架和车体均作微振动；
④所有弹簧均为线性，所有阻尼按黏滞阻尼计算，蠕滑力按线性计算；
⑤沿铅垂方向，轮对与钢轨密贴，即轮对与钢轨的竖向位移相同；
⑥忽略构架点头运动及轮对侧滚和摇头运动。
这样，车体空间振动有：侧摆、侧滚、摇头、点头、浮沉等5个自由度；每个构架有侧摆、侧滚、摇头、点头、浮沉5个自由度；每个轮对有侧摆，摇头等2个自由度，故每辆四轴车辆共有23个自由度，每辆六轴机车共有27个自由度。客车车辆及机车均按二系弹簧计算。
2.桥梁空间振动分析模型
模型利用空间梁单元模拟加劲梁、塔墩柱，利用空间杆单元模拟拉索，按“m法”考虑桩土的共同作用。主跨468m铁路钢箱混合梁斜拉桥结构有限单元划分立面及轴视图示意如图1-80所示。
图1-80 结构单元划分示意图
采用郑武线实测轨道不平顺和德国低干扰谱模拟轨道不平顺，计算列车选取C62货车及SS8客车，德国ICE3高速旅客列车，日本500系列车和国产CRH2高速列车。
1.5.5.2 评判标准
1.列车运行安全性与舒适性（客车）、平稳性（货车）评价指标
采用脱轨系数、轮重减载率来判断列车运行安全性，用Sperling指标来判断乘坐舒适性（或运行平稳性）。根据《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》、《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，并参考历次提速试验所采用的评判标准，在车桥动力仿真分析中，列车运行安全性与舒适性（平稳性）的评定指标选取如下：
（1）安全性指标
脱轨系数：≤0.8； 轮重减载率：≤0.6
（2）乘坐舒适性（对客车车辆）
车体振动加速度：竖向≤0.25g；横向≤0.20g（中速：≤200km/h）
竖向≤0.13g；横向≤0.10g（高速：≥200km/h）
舒适性评价指标：优良 <2.50
良好 2.50～2.75
合格 2.75～3.00
（3）运行平稳性（对货车车辆）
车体振动加速度：≤0.70g=7.0m/s2（半峰值，竖向）
≤0.50g=5.0m/s2（半峰值，横向）
平稳性评价指标：优良 <3.50
良好 3.50～4.00
合格 4.00～4.25
（4）机车运行平稳性
车体振动加速度：≤0.365g=3.65m/s2（半峰值，竖向）
≤0.245g=2.45m/s2（半峰值，横向）
平稳性评价指标：优良 <2.75
良好 2.75～3.10
合格 3.10～3.45
2.桥梁动力响应限值
（1）桥梁竖向振动加速度限值：0.35g=3.5m/s2（半幅、有砟轨道）
0.50g=5.0m/s2（半幅、无砟轨道）
（2）桥梁横向振动加速度限值：0.15g=1.5m/s2（半幅）
1.5.5.3 计算工况
1.客货混运
DF4牵引C62货车（以下简称C62货车）分别以50、60、70、80km/h通过桥梁，采用郑武线实测轨道不平顺进行计算。
SS8牵引准高速客车（以下简称SS8客车）分别以80、100、120、140、160、180、200km/h通过桥梁，采用郑武线实测轨道不平顺进行计算。
2.客运专线
国产CRH2高速旅客列车（以下简称国产CRH2）分别以160、180、200、220、250、275、300km/h通过桥梁，采用德国低干扰谱模拟轨道不平顺计算。
ICE3高速旅客列车（以下简称德国ICE3）分别以160、180、200、220、250、275、300、325、350、375、400、420km/h通过桥梁，采用德国低干扰谱模拟轨道不平顺计算。
日本500系高速旅客列车（以下简称日本E500）分别以160、180、200、220、250、275、300、325、350、375、400、420km/h通过桥梁，采用德国低干扰谱模拟轨道不平顺计算。
3.环境风作用下客货混运及客运专线
考虑风对列车、桥的共同作用，进行风-车-桥时变系统空间振动响应计算。计算中轨道不平顺对客货混运阶段和客运专线阶段分别采用郑武线实测轨道不平顺和德国低干扰轨道谱模拟轨道不平顺，计算列车偏于安全地选取C62空车、SS8客车、CRH2客车，具体计算工况如下：
①C62货车空车分别以50、60、70、80km/h通过桥梁。
②SS8客车分别以80、100、120、140、160、180、200km/h通过桥梁。
③CRH2客车分别以160、180、200、220、250km/h通过桥梁。
1.5.5.4 列车运行安全性、舒适性、平稳性分析评价结果
1.无风条件
无风条件下列车运行分析评价结果见表1-20和表1-21。
表1-20 甬江特大桥车-桥系统动力分析评价结果汇总表（单线行车）
表1-21 甬江特大桥车-桥系统动力分析评价结果汇总表（双线）
2.有风条件
强风作用是一个不可回避的问题。对于桥梁的抗风设计，显然应首先保证桥梁结构本身在风荷载作用下具有良好的空气动力稳定性，使其临界风速运大于该桥在一定保证率下桥面上可能达到的最大风速。对于铁路桥梁在桥面某一量级脉动风作用下（有车风压）的列车-桥梁系统的动力响应分析以保证列车过桥时具有足够的安全度和一定的舒适性也是桥梁结构抗风设计的一个重要内容。有风条件下列车运行分析评价结果见表1-22～表1-24。
表1-22 甬江特大桥风-车-桥系统动力分析评价结果汇总表（C62货车）
表1-23 甬江特大桥风-车-桥系统动力分析评价结果汇总表（SS8客车）
续上表
表1-24 甬江特大桥风-车-桥系统动力分析评价结果汇总表（CRH2客车）
1.5.5.5 车桥耦合动力响应分析结论
1.客货混跑时郑武线实测轨道不平顺谱分析结论
①当C62货车（v=50～80km/h）、SS8客车（v=80～200km/h）单线或双线对开通过桥梁时，桥梁的各项动力响应和列车的各项动力响应计算值均在容许值以内。
②当C62货车（v=50～80km/h）、SS8客车（v=80～200km/h）单线或双线对开通过桥梁时，列车脱轨系数<0.8，轮重减载率<0.6，列车行车安全性有保障。
③当C62货车（v=50～80km/h）单线或双线对开通过桥梁时，机车司机台处横、竖向舒适度指标均达到“良好”标准以上；货车车辆运行横、竖向平稳性指标达到“合格”标准以上。
④当SS8客车（v=80～200km/h）单线或双线对开通过桥梁时，机车司机台处横、竖向舒适度指标均达到“良好”标准以上；车辆乘客乘坐横、竖向平稳性指标也均达到“良好”标准以上。
⑤选取我国目前主型货车即C62货车进行计算。由于C62货车采用的是转8A型转向架，其运营速度一般只能达到80km/h，故本报告的计算最高车速为80km/h。根据120km/h货车的历次动力学试验数据表明，其动力学性能（车速<120km/h）要优于C62货车动力学性能（车速<80km/h）许多，故本报告尽管最高计算车速为80km/h，然其计算结果还略偏于安全。
2.对客运专线时德国低干扰谱模拟轨道不平顺谱分析结论
①当德国ICE3高速列车、日本500系高速列车及国产CRH2高速列车以160～420km/h单线或双线对开通过时，桥梁动力响应均满足要求；各车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求。
②当德国ICE3高速列车、日本500系高速列车及国产CRH2高速列车以160～420km/h单线或双线对开通过时，列车脱轨系数<0.8，轮重减载率<0.6，列车行车安全性有保障。
③当德国ICE3高速列车、日本500系高速列车及国产CRH2高速列车以160～350km/h单线或双线对开通过时，列车的乘坐舒适度均达到“良好”标准以上。
④当德国ICE3高速列车、国产CRH2高速列车以275～300km/h单线或双线对开通过时，列车的乘坐舒适度均达到“合格”标准以上。
综合上述分析结果，说明铁路钢箱混合梁斜拉桥具有良好的动力特性及列车走行性，列车的行车安全性和乘坐舒适度均满足客货混运阶段设计时速200km及客运专线阶段时速350km的各项要求。