成昆線正交異性板鋼桁橋性能計(jì)算評(píng)估

徐少平

(中鐵十三局集團(tuán)第五工程有限公司，四川成都610500)

上世紀(jì)60年代初，我國(guó)開(kāi)始對(duì)栓焊鐵路鋼桁橋進(jìn)行研制，于1962年和1964年分別建成雛榮(跨度44.62 m)和浪江(跨度61.44 m)兩座試點(diǎn)橋［1］。成昆鐵路大量采用栓焊鋼橋新技術(shù)，取得了顯著地效果，在設(shè)計(jì)、制造和科學(xué)試驗(yàn)方面，都有很大的改進(jìn)和發(fā)展。特別是在性能優(yōu)異的正交異性板鋼桁橋方面，進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。

成昆線上的很多鋼桁橋已有40來(lái)年的歷史了。隨著鐵路交通的發(fā)展，還在運(yùn)營(yíng)中的鋼桁橋，特別是用于曲線線路上的32 m跨正交異性板鋼桁橋，是否還能滿足現(xiàn)行規(guī)范鐵路標(biāo)準(zhǔn)荷載要求，有待新的評(píng)估。成昆線鋼桁橋設(shè)計(jì)荷載為:中—22級(jí)［2］，而現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的鐵路標(biāo)準(zhǔn)荷載為:中—活載，因此，當(dāng)時(shí)建成的鋼橋的性能需進(jìn)行新的評(píng)估。本文按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定荷載對(duì)成昆線上的32 m跨正交異性板鋼桁橋進(jìn)行了靜動(dòng)力計(jì)算，以評(píng)估此類橋梁在現(xiàn)時(shí)運(yùn)營(yíng)中的性能。

1 正交異性板鋼桁橋簡(jiǎn)介

成昆線上有較多的32 m跨上承式鋼桁橋，按橋面形式分明橋面及道蹅橋面(正交異性板橋面)兩種形式。32 m跨正交異性板橋面鋼桁橋節(jié)間長(zhǎng)3.2 m，主桁中心距2m，主桁高度3.2m。正交異性板橋面鋼桁橋整體性好，桿件輕巧，架設(shè)簡(jiǎn)易，受力條件好，節(jié)省鋼材及抗扭剛度大等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它在成昆線上被大量應(yīng)用，此類橋多用于曲線半徑R≥450 m的線路上，活載對(duì)此橋的作用存在一定的偏心距。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

分別采用ANSYS和MIDAS兩種有限元軟件建模分析，如圖1、圖2所示。用通用有限元軟件ANSYS建模時(shí)，采用Shell63單元建立全橋模型。用MIDAS建模時(shí)，采用梁?jiǎn)卧?，由于橋面為正交異性板橋面，需將其在縱橫方向上進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，這里按梁格法［3］進(jìn)行等效建模。用梁格法分析時(shí)，要將原型結(jié)構(gòu)用一等效梁格代替。所謂等效，是指兩種結(jié)構(gòu)承受相同的荷載時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形是一樣的，而且任一梁格內(nèi)的內(nèi)力等于該梁所代表的原型結(jié)構(gòu)相應(yīng)部分的截面應(yīng)力的合力，也就是假定把上部結(jié)構(gòu)中每一區(qū)域的抗彎和抗扭剛度集中到臨近的梁格內(nèi)，即兩種結(jié)構(gòu)在位移和內(nèi)力上相等效。材料參數(shù)如表1所示。

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按照設(shè)計(jì)要求，二期恒載采用12.4 kN/m2，橫橋向?qū)?.8 m范圍內(nèi)均勻分布。

圖1 ANSYS有限元模型

2.2 有限元模型的合理性驗(yàn)算

與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證ANSYS模型的正確性。1976年對(duì)摸魚(yú)蚱大橋(32 m跨正交異性板鋼桁橋)進(jìn)行了鑒定加載試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。在32 m跨內(nèi)加12個(gè)集中力，大小都為210 kN。現(xiàn)將有限元建模計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模型及加載位置如圖4所示。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 MIDAS有限元模型

圖3 試驗(yàn)實(shí)測(cè)及有限元驗(yàn)算點(diǎn)布置

圖4 驗(yàn)算模型及集中力加載布置

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由表2可知，有限元計(jì)算與手工計(jì)算及試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果［1］對(duì)比非常吻合，說(shuō)明ANSYS模型非常接近實(shí)際狀態(tài)，其計(jì)算結(jié)果可信。

3 最大撓度計(jì)算

考慮到列車(chē)行駛時(shí)的安全性和舒適性，鐵路橋在活載作用下的最大撓度需滿足相關(guān)規(guī)范要求。《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1－2005)［4］中第5.1.2條規(guī)定簡(jiǎn)支鋼桁橋的撓度容許值為:L/900。

用MIDAS軟件建模，以提取位移最不利活載位置，如圖5所示。把相應(yīng)的荷載布置方式布置于ANSYS計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到比較精確的最大位移量，如圖6所示。計(jì)算時(shí)，活載按照《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2－2005)［5］規(guī)定采用中活載，取運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)為1.248。由于此橋在曲線線路上，因此，活載對(duì)此橋的作用存在一定的偏心距，經(jīng)等效計(jì)算，偏心距取20 cm。

圖5 活載最不利位置

通過(guò)計(jì)算，得到跨中位置處的最大豎向位移為30.412 mm，位移驗(yàn)算應(yīng)該采用主桁跨中最大位移30.412 mm作為驗(yàn)算值。30.412 mm＜L/900=35.56 mm。因此，撓度滿足要求。

圖6 最大豎向位移ANSYS計(jì)算結(jié)果

4 主桁桿件強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算

圖7為半跨正交異性橋面鋼桁橋，利用MIDAS軟件的梁?jiǎn)卧畈焕奢d追蹤功能對(duì)跨中處的下弦桿、斜腹桿及豎桿進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖7 主桁桿件示意圖

上述計(jì)算結(jié)果均小于容許應(yīng)力［σ］=200 MPa，滿足《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2－2005)［3］第4.2.1條要求，說(shuō)明強(qiáng)度滿足要求，且安全儲(chǔ)備較大。

對(duì)于正交異性橋面鋼桁橋，上弦桿和拉桿均為受拉構(gòu)件，不存在穩(wěn)定問(wèn)題，其他的壓桿需作穩(wěn)定驗(yàn)算。由于桁橋的對(duì)稱性，只須驗(yàn)算四分之一的相應(yīng)的桿件。各桿件的軸力通過(guò)MIDAS計(jì)算模型算得。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1－2005)［5］中的第4.2.2條規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表4所示。

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從表4得知，桿件F2F3不滿足穩(wěn)定要求，其他桿件均滿足穩(wěn)定要求。計(jì)算結(jié)果表明，由于20世紀(jì)60年代還無(wú)法對(duì)正交異性橋面鋼桁橋進(jìn)行精確計(jì)算，導(dǎo)致桿件F2F3穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果與精確解存在較大差別。

5 動(dòng)力特性分析

對(duì)此橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析有助于了解正交異性橋面鋼桁橋的動(dòng)力性能。用ANSYS建立鋼橋模型并提取它的自振頻率和振型，如表5所示。前三階振型圖8所示。

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表5表明，成昆線32 m正交異性板鋼桁橋的動(dòng)力性能優(yōu)異，特別是在扭轉(zhuǎn)方面，其頻率達(dá)到5.49，說(shuō)明扭轉(zhuǎn)動(dòng)力特性優(yōu)異，這與其用于一定半徑的曲線線路上相匹配。

圖8 前三階振型圖

6 結(jié)論

利用ANSYS和MIDAS兩種有限元軟件，按照現(xiàn)行規(guī)范鐵路標(biāo)準(zhǔn)荷載對(duì)成昆線上的32 m跨正交異性板鋼桁橋進(jìn)行靜動(dòng)力性能計(jì)算評(píng)估后得出如下結(jié)論。

(1)在現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載的作用下，豎向位移滿足要求，其豎向剛度較大。

(2)在現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載的作用下，各桿件強(qiáng)度滿足要求，且還具備較大的安全儲(chǔ)備。

(3)在現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載的作用下，大部分桿件能滿足穩(wěn)定性要求，但是個(gè)別豎桿不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的穩(wěn)定性要求。

(4)32 m正交異性板鋼桁橋的動(dòng)力性能優(yōu)異，特別是在扭轉(zhuǎn)方面。

［1］潘際炎．栓焊鋼橋的研究［M］．中國(guó)鐵道出版社，1983

［2］辛學(xué)忠，張玉玲．鐵路橋梁設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)修訂研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(4):1－4

［3］范立礎(chǔ)．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2003

［4］TB 10002.1－2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］

［5］TB 10002.2－2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］