鐵路簡(jiǎn)支槽形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力仿真分析

王文博

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,蘭州　730000)

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鐵路簡(jiǎn)支槽形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力仿真分析

王文博

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,蘭州730000)

摘要：在我國(guó)鐵路橋梁中,槽形梁的使用還較少。對(duì)敦格鐵路1-32m槽形梁進(jìn)行計(jì)算分析,并對(duì)其進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析。根據(jù)計(jì)算分析的結(jié)論,得出設(shè)計(jì)的槽形梁斷面及各項(xiàng)應(yīng)力合理,車橋耦合動(dòng)力特性滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,為敦格鐵路安全運(yùn)營(yíng)提供理論依據(jù)和科學(xué)參考,為槽形梁在我國(guó)鐵路建設(shè)中的推廣具有很強(qiáng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：敦格鐵路；槽形梁；車橋耦合；仿真計(jì)算

槽形梁是一種具有建筑高度低、節(jié)省路基土石方工程投資、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便及減少噪聲等優(yōu)點(diǎn)的梁板組合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)[1]。這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)鐵路已有一些實(shí)例，但并未推廣大規(guī)模使用，同時(shí)對(duì)于車輛通過(guò)梁體時(shí)的車橋耦合問(wèn)題無(wú)深入研究。以敦格鐵路1-32 m簡(jiǎn)支槽形梁的設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，重點(diǎn)介紹槽形梁的斷面計(jì)算分析和車橋耦合分析。

敦格鐵路在DK58+348.7處跨越澀寧蘭天然氣管道，在保證線路高度總體合理的前提下，線路與管道立交處填土高度約為3.65 m[2]?！惰F路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(TB10063—2007)要求新建橋梁梁底至埋置油氣管道的天然地面凈高不小于2 m，為此于此處設(shè)置1-32 m簡(jiǎn)支槽形梁跨越澀寧蘭天然氣管道[3]。在我國(guó)已對(duì)普速鐵路下發(fā)各類部頒參考圖的背景下，此梁的設(shè)計(jì)與車橋耦合分析為普速鐵路簡(jiǎn)支槽形梁標(biāo)準(zhǔn)圖的設(shè)計(jì)推廣提供了一定的借鑒意義。

1槽形梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1.1主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

槽形梁是一種梁板空間組合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，屬于下承式預(yù)應(yīng)力橋梁，它由行車道床板、主梁及端橫梁等部分組成。當(dāng)列車荷載作用在橋面上時(shí)，荷載通過(guò)道床板傳給主梁，再由主梁傳到支座。槽形梁最大的特點(diǎn)是能夠有效降低橋梁建筑高度，其建筑高度主要取決于行車道板的橫向?qū)挾?，?dāng)橋梁跨度越大時(shí)，建筑高度低的優(yōu)勢(shì)越明顯[4]。在結(jié)構(gòu)受力上，槽形梁屬于開(kāi)口薄壁構(gòu)件，具有受扭性能差，主梁腹板受力及主梁與道床板連接構(gòu)造復(fù)雜，橋面板彎矩受縱梁扭轉(zhuǎn)剛度影響較大等特點(diǎn)。

1.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.2.1尺寸擬定

主梁跨中梁高3.2 m，支點(diǎn)梁高3.7 m；上翼緣板寬度為1.20 m，梁頂寬為8.90 m，梁底寬為8.10 m；道床板頂面設(shè)2%的雙面人字坡，板厚0.45～0.95 m；跨中腹板厚度0.5 m，支點(diǎn)截面加厚至0.80 m[3]。見(jiàn)圖1。

圖1　槽形梁跨中構(gòu)造(單位：cm)

1.2.2計(jì)算參數(shù)

主梁體采用C55混凝土，混凝土彈性模量3.55×104MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度37.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度3.30 MPa，容重采用26.5 kN/m3。道砟等二期恒載線荷載集度采用85 kN/m(順橋向)；混凝土瞬時(shí)徐變系數(shù)fa=0.8、滯后徐變系數(shù)fd=0.4、環(huán)境相對(duì)濕度采用70%，混凝土平均加載齡期按10 d計(jì)，終極齡期按1 500 d計(jì)[5]。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線：fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，管道摩擦系數(shù)μ=0.23，管道偏差系數(shù)k=0.002 5，一端錨具回縮6 mm，松弛損失σ15=ψζ(0.52σpe/fpk-0.26)σpe。

溫度偏于安全考慮結(jié)構(gòu)整體升溫按20 ℃計(jì)算， 降溫按25 ℃(不含混凝土收縮徐變影響)計(jì)算。橋面板升溫根據(jù)鐵路規(guī)范取5 ℃。主梁腹板內(nèi)外日照溫差采用±5 ℃。混凝土線膨脹系數(shù)為0.000 01。以上溫度模式按實(shí)際最不利情況組合?；撅L(fēng)壓取700 Pa[6]。

1.2.3荷載組合

主力組合：結(jié)構(gòu)重力+二期恒載+預(yù)加力+收縮徐變+基礎(chǔ)變位影響+中-活載(包括離心力和搖擺力)。

主力+附加力組合：結(jié)構(gòu)重力+二期恒載+預(yù)加力+收縮徐變+基礎(chǔ)變位影響+中-活載(包括離心力和搖擺力)+溫度作用+風(fēng)力+制動(dòng)力。

主力+特殊荷載組合：結(jié)構(gòu)重力+二期恒載+預(yù)加力+收縮徐變+基礎(chǔ)變位影響+中-活載(包括離心力和搖擺力)+地震荷載；結(jié)構(gòu)重力+二期恒載+預(yù)加力+收縮徐變+基礎(chǔ)變位影響+中-活載(包括離心力和搖擺力)+斷軌力。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用西南交大編制的《橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》(BSAS)程序?qū)χ髁哼M(jìn)行施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的縱向平面靜力分析計(jì)算。三維實(shí)體單元分析采用MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件。全橋靜力計(jì)算共劃分30個(gè)單元。

1.3主要計(jì)算結(jié)果(表1～表4)

表1　主梁控制截面正應(yīng)力　MPa

表2　主梁控制截面正截面強(qiáng)度　MPa

表3　主梁控制截面正截面抗裂安全系數(shù)

表4　靜活載作用下主梁控制截面變形

過(guò)運(yùn)梁車階段最大剪應(yīng)力為1.29 MPa，截面抗彎?rùn)z算滿足要求。道床板橫向靜力分析、腹板吊拉力分析采用三維實(shí)體模型，利用實(shí)體模型的應(yīng)力進(jìn)行積分求解內(nèi)力，再根據(jù)內(nèi)力進(jìn)行配筋檢算。

2槽形梁動(dòng)力仿真分析

2.1耦合動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)述

車輛對(duì)線路的動(dòng)力影響問(wèn)題，不僅僅是車輛或軌道某一系統(tǒng)的孤立問(wèn)題，而是這兩個(gè)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)的耦合問(wèn)題，因而必須從車輛-軌道整體系統(tǒng)的角度來(lái)考察、分析問(wèn)題[7]。簡(jiǎn)而言之，車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論的基本思想是將車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)視為一個(gè)相互作用、相互耦合的總體大系統(tǒng)，而將輪軌關(guān)系作為聯(lián)接這兩個(gè)子系統(tǒng)的紐帶[8]。我國(guó)鐵路橋梁中，槽形梁使用較少，對(duì)于車輛通過(guò)槽形梁時(shí)的動(dòng)力仿真研究更少。根據(jù)新建敦格鐵路陽(yáng)關(guān)2號(hào)中橋1-32 m槽形梁的運(yùn)營(yíng)條件，建立了列車與軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型。

列車通過(guò)槽形梁時(shí)，其行車安全性與舒適性如何？輪軌動(dòng)態(tài)相互作用是否存在異常？線形及線路參數(shù)的動(dòng)態(tài)匹配能否滿足要求？運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)車車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，研究列車通過(guò)時(shí)的輪軌相互作用性能，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全評(píng)估分析，以期為工程實(shí)際提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，也為敦格鐵路安全運(yùn)營(yíng)提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

2.2仿真計(jì)算條件(表5～表8)

表5　剛度及阻尼取值

表6　應(yīng)力驗(yàn)算　MPa

表7　車橋耦合振動(dòng)分析工況匯總

表8　車-橋動(dòng)力仿真分析評(píng)判結(jié)果匯總

車橋耦合分析采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件TTISIM(Train/Track Interaction SIMulation)[9]。本次動(dòng)力仿真分析選用的機(jī)車車輛類型如下：DF4內(nèi)燃機(jī)車牽引C62重車；SS8牽引準(zhǔn)高速雙層客車；DF11內(nèi)燃機(jī)車牽引25 t直達(dá)列車。

計(jì)算時(shí)，客貨列車速度分別選用120～180 km/h及50～80 km/h。

根據(jù)分析計(jì)算，本橋自振頻率為5.83 Hz，由于本橋?yàn)?-32 m槽形梁，兩側(cè)橋臺(tái)剛度較大，無(wú)共振現(xiàn)象發(fā)生，自振頻率與行車速度無(wú)關(guān)。隨著速度的提高，車體橫向振動(dòng)加速度先減小，然后又增加；從垂向振動(dòng)來(lái)看，隨著速度提高，垂向振動(dòng)加速度增加；運(yùn)營(yíng)階段順橋向位移為6 mm，橫橋向4 mm。

在本梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用現(xiàn)代動(dòng)力學(xué)仿真手段，計(jì)算了車輛通過(guò)時(shí)的輪軌動(dòng)態(tài)性能，并進(jìn)行了評(píng)估分析。研究結(jié)果表明：選用的3種機(jī)車以一定速度通過(guò)時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足安全限值與舒適性要求。這也為槽形梁上的車橋耦合分析填補(bǔ)了空白。槽形梁在豎向荷載作用下，空間受力表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，首先是道床板的剪力滯作用；其次是底板的雙向彎曲、扭轉(zhuǎn)及剪切作用；同時(shí)可以得出支承情況對(duì)主梁的受力影響不大，主梁翼緣在豎向荷載作用下產(chǎn)生向內(nèi)

側(cè)傾斜的水平位移；有必要的情況下設(shè)置端橫梁能夠有效增加槽形梁端部的橫向剛度，減小底板的橫向彎矩及槽形梁支點(diǎn)截面上的橫向撓度。

3結(jié)語(yǔ)

槽形梁具有建筑高度低、降噪效果好、斷面空間利用率高、兩側(cè)主梁腹板能防止出軌車輛傾覆下落、施工形式多樣、外形美觀、視覺(jué)效果好等優(yōu)點(diǎn)。敦格鐵路陽(yáng)關(guān)2號(hào)中橋采用1-32 m槽形梁，利用其建筑高度低的優(yōu)點(diǎn)成功解決了梁底距離天然氣管道距離不足的問(wèn)題，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。依托已施工的1-32 m槽形梁，對(duì)其斷面設(shè)計(jì)的合理性及車橋耦合狀況等進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果及各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。該梁的設(shè)計(jì)、施工及今后的運(yùn)營(yíng)能夠?yàn)椴坌瘟涸谖覈?guó)鐵路建設(shè)中的推廣具有較好的借鑒意義。

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Research on Structural Design and Dynamic Simulation of Railway Channel Girders with Simple SupportWANG Wen-bo

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Lanzhou 730000, China)

Abstract：Channel girders are rarely used in railway bridges. This paper conducts calculation and analysis of 1-32 m channel girders on Dunhuang-Geermu railway and dynamic simulation and analysis of vehicle/bridge coupling. The results show that the designed section of channel girder groove and the stresses are reasonable, and the vehicle/bridge dynamic characteristics meet the current specifications, which provide theoretical basis and scientific reference for Dunhuang-Geermu railway’s safe operation and for extended application of the channel girder in the railway construction in our country.

Key words：Dunhuang-Geermu railway; Channel girders; Coupling of vehicle and bridge; Dynamic simulation

中圖分類號(hào)：U448.21+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.022

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0097-03

作者簡(jiǎn)介：王文博(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：412049210@qq.com。

收稿日期：2014-07-10； 修回日期：2014-08-11