鐵路鋼桁梁橋在重載列車下的受力適應性分析

李運生， 刁云峰， 張彥玲

(石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

?

鐵路鋼桁梁橋在重載列車下的受力適應性分析

李運生， 刁云峰， 張彥玲

(石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

在既有線上開行重載列車可滿足我國快速發(fā)展的鐵路運量要求，但勢必會對既有鐵路橋梁的安全性產(chǎn)生不利影響。以長東黃河大橋4跨鐵路連續(xù)鋼桁梁為工程背景，采用Midas軟件建立了有限元模型，對其整體受力性能和桿件局部受力性能在30 t重載列車下的適應性進行了分析。結(jié)果表明：長東黃河大橋連續(xù)鋼桁梁的整體受力性能滿足30 t重載的運營要求，其中豎向撓度安全裕度較中-活載下降約22%，但橫向撓度安全裕度無明顯下降。鋼桁梁各桿件的應力安全儲備系數(shù)、疲勞安全儲備系數(shù)和穩(wěn)定安全儲備系數(shù)均較中-活載下降低近20%左右，且個別桿件在30 t重載下的疲勞和穩(wěn)定性能不滿足規(guī)范要求，需進行適當加固。

重載列車；鋼桁梁橋；整體受力性能；局部受力性能；適應性；安全儲備系數(shù)

0 引言

在現(xiàn)代國際鐵路運輸領域發(fā)展中，各鐵路大貨物運輸現(xiàn)代化的重要標志就是貨運重載化。重載列車的開行，提高了鐵路運量，縮短了貨運周轉(zhuǎn)的時間，大大緩解了繁忙干線運量緊張的局面。但由于大軸重重載列車軸重增大，開行密度增加，因此勢必對既有橋梁的強度儲備、使用性能和剩余壽命造成較大的影響。目前，關(guān)于重載列車作用下既有中小跨度混凝土橋梁的性能評估問題已有較多報道[1-5]，對鐵路鋼橋也已有部分相關(guān)研究[6-10]，但主要針對其動力性能，且尚不夠系統(tǒng)。

以長東黃河大橋4跨鐵路連續(xù)鋼桁梁為工程背景，對其適應大軸重重載運輸?shù)母鞣N關(guān)鍵技術(shù)進行研究，采用Midas軟件建立了有限元模型，對連續(xù)鋼桁梁的整體受力性能和桿件局部受力性能在30 t重載列車作用下的適應性及其與中-活載下的區(qū)別進行了分析，并重點分析了30 t重載下各項受力性能的安全儲備。

1 有限元模型及作用荷載

1.1 有限元模型

長東黃河大橋為4×108 m連續(xù)鋼桁梁橋，主桁立面圖如圖1所示。

圖1 4×108 m連續(xù)鋼桁梁主桁平面圖

采用Midas軟件建立主桁的有限元模型，桿件采用梁單元，單元之間的連接全部為剛性連接；桿件為工字型截面。節(jié)點E0、E18、E18’、E0’為活動鉸支座，約束其Y、Z兩個方向的平動自由度，節(jié)點E36’為固定支座，約束其X、Y、Z3個方向的平動自由度，有限元模型見圖2。

圖2 鋼桁梁有限元模型

1.2 作用荷載

1.2.1 豎向車輛活載

長東黃河大橋設計活載為單線普通中-活載，活載圖式如圖3(a)所示[11]；重載車輛模型采用《重載鐵路設計規(guī)范》(征求意見稿)[12]中-活載(2005)之ZH荷載(軸重系數(shù)Z=1.2)，計算圖式如圖3(b)所示。

圖3 列車活載圖示

在有限元模型中，通過建立質(zhì)量為零的梁單元模擬虛擬車道，在單元節(jié)點與縱梁節(jié)點間建立剛性連接，然后在虛擬車道上添加移動車輛，模擬列車活荷載作用。

1.2.2 橫向搖擺力

鐵路橋梁由普通中-活載產(chǎn)生的橫向搖擺力為100 kN[13](30 t重載下為120 kN[12])，作為一個集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。上平面應分擔橫向搖擺力的20%，即上弦桿分擔橫向搖擺力20 kN[13](30 t重載下為24 kN[12])。

把作用在跨中鋼軌頂面的100 kN橫向集中力向跨中兩個縱梁截面中心轉(zhuǎn)化，各50 kN(30 t重載下為60 kN)，所產(chǎn)生的力矩(扭矩)轉(zhuǎn)化為兩個豎向荷載(經(jīng)計算普通中-活載下為56.25 kN，30 t重載下為67.50 kN)，相互反向施加在兩個縱梁截面中心上以形成力偶。

荷載工況分兩種，工況Ⅰ為將搖擺力施加在第一跨(邊跨)跨中，工況Ⅱ為第二跨(中跨)跨中。

1.2.3 橫向風力

根據(jù)桿件的截面型號，鋼桁梁弦桿和豎桿各分為5種類型(弦桿1、2、3、4、5；豎桿1、2、3、4、5，以下同)，縱梁連接系分4種類型，豎桿、橫梁和橋門架楣桿各分3種類型，縱梁和制動撐架各2種類型，上、下平聯(lián)各1種類型。

橫向風荷載參照《鐵路橋涵設計基本規(guī)范(TB10002.1—2005)》[11]進行計算。經(jīng)計算橋上無車時的風壓強度為0.585 kPa，有車時的風壓強度為0.468 kPa。以上弦桿為例，上弦桿迎風面寬0.6 m，則橋上無車時橫向風荷載為0.585×0.6=0.35 kN/m，有車時為0.468×0.6=0.28 kN/m，限于篇幅，其他的不再列出。

2 整體受力性能適應性分析

2.1 豎向撓度分析

為了保證行車的安全平穩(wěn)，橋梁應具有一定的豎向剛度，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(TB 10002.2—2005)》[13]規(guī)定，鋼桁梁由靜活載(不計沖擊力)引起的豎向撓度，對于連續(xù)桁架梁的邊跨不應大于l/900，中跨不應大于l/750，l為計算跨的跨長。即鋼桁梁豎向撓度限值為

f邊跨=108/900=0.12 m=120 mm，f中跨=108/750=0.144 m=144 mm。

表1 不同列車靜活載下跨中豎向撓度 mm

2.2 水平撓度分析

根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范(TB10002.1—2005)》[11]，梁體橫向變形的檢算荷載為：風荷載、橫向搖擺力、離心力等，要求在橫向搖擺力和風力的作用下，梁體的水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/4 000[11]，即不大于108/4 000=0.027 m=27 mm。

在橫向風荷載及列車橫向搖擺力作用下，考慮4種橫向荷載組合：

組合Ⅰ：無車橫風+列車搖擺力1(搖擺力作用于邊跨跨中位置)；

組合Ⅱ：無車橫風+列車搖擺力2(搖擺力作用于中跨跨中位置)；

組合Ⅲ：有車橫風+列車搖擺力1；

組合Ⅳ：有車橫風+列車搖擺力2。

表2 組合Ⅰ、Ⅱ下鋼桁梁的水平撓度 mm

表3 組合Ⅲ、Ⅳ下鋼桁梁的水平撓度 mm

3 桿件局部受力性能適應性分析

3.1 荷載組合

根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》[11]，分析中采用以下4種荷載組合：

組合Ⅰ：恒載+活載(主力1)；

組合Ⅱ：恒載+活載+列車搖擺力(主力2)，其中列車搖擺力在邊跨跨中時為Ⅱ-1，在中跨跨中時為Ⅱ-2；

組合Ⅲ：主力1+制動力，其中制動力在邊跨跨中時為Ⅲ-1，在中跨跨中時為Ⅲ-2；

組合Ⅳ：主力2+橫向風力，其中列車搖擺力在邊跨跨中時為Ⅳ-1，在中跨跨中時為Ⅳ-2。

3.2 桿件應力分析

長東黃河大橋主桁桿件均采用16 Mnq鋼，其基本容許應力當板厚小于24 mm時取，板厚為32 mm時取。在不同荷載組合下對容許應力采用不同的提高系數(shù)，對于組合Ⅰ、Ⅱ，提高系數(shù)為1.0，組合Ⅲ為1.25，組合Ⅳ為1.2[11]。

考慮到桿件的工作條件及重要性，桿件應力要留有一定的安全儲備。定義容許應力與實際應力的比值為應力安全儲備系數(shù)。經(jīng)Midas軟件進行有限元分析，得到各桿件在普通中-活載和30 t重載下的最大應力及各自的安全儲備系數(shù)，將各類型桿件中應力安全儲備系數(shù)最小，即應力值最大的取出，所得結(jié)果見表4。

表4 各種荷載組合下桿件的應力安全儲備系數(shù)

注：在組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中，應力安全儲備系數(shù)取各自兩種組合(Ⅱ-1和Ⅱ-2、Ⅲ-1和Ⅲ-2、Ⅳ-1和Ⅳ-2)中的較小值。

由表4可以得知，無論在普通中-活載還是30 t重載列車下，鋼桁梁橋各桿件在各種荷載組合下的應力均滿足容許應力的要求，即應力安全儲備系數(shù)均大于1.0，但在30 t重載列車作用下應力安全儲備系數(shù)均明顯降低，降幅在12%～20%。30 t重載列車作用下安全儲備系數(shù)最小的是斜桿4(工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□420×12、1-□436×10，具體位置見圖1中的E2’C1’)，在組合Ⅰ和組合Ⅱ下僅為1.1。

3.3 桿件應力幅分析及疲勞強度檢算

疲勞荷載組合包括設計荷載中的恒載加活載(包括沖擊力、離心力，但不考慮活載發(fā)展系數(shù))，其中列車豎向荷載包括列車豎向動力作用(經(jīng)計算本算例為1.12)。

非焊接構(gòu)件及連接疲勞檢算公式為[13]：

(1)疲勞應力為拉-拉構(gòu)件

(1)

(2)疲勞應力為拉-壓構(gòu)件

(2)

根據(jù)桿件連接方式查文獻[13]附錄Ⅰ表5知，除弦桿1、豎桿1和橫梁2的容許疲勞應力幅為103 MPa外，其余桿件均為109.6 MPa。由Midas軟件計算出移動荷載下各桿件的疲勞應力幅，將其與容許疲勞應力幅值的比值定義為疲勞系數(shù)，要求疲勞系數(shù)不大于容許疲勞安全系數(shù)1.05。將容許疲勞安全系數(shù)(1.05)與疲勞系數(shù)的比值定義為疲勞安全儲備系數(shù)。

因荷載組合Ⅲ、Ⅳ包含荷載組合Ⅰ、Ⅱ所含荷載，因此僅對荷載組合Ⅲ、Ⅳ進行疲勞強度的分析。將各類型桿件中疲勞安全儲備系數(shù)最小，即疲勞系數(shù)最大的結(jié)果取出，見表5。

表5 各種荷載組合下桿件的疲勞安全儲備系數(shù)

注：在組合Ⅲ、Ⅳ中，疲勞系數(shù)取各自兩種組合(Ⅲ-1和Ⅲ-2、Ⅳ-1和Ⅳ-2)中的較小值。

由表5可知：中-活載作用下，各類型桿件中疲勞安全儲備系數(shù)最小值均大于1.0，說明鋼桁梁在中-活載作用下疲勞強度滿足要求。在30 t重載列車作用下，各桿件疲勞系數(shù)均顯著增大，疲勞安全儲備系數(shù)減小，降低幅度均超過20%，且已有個別桿件的疲勞系數(shù)超過了1.05，安全儲備系數(shù)小于1.0，不再滿足疲勞強度的要求，這些桿件包括：弦桿4(工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□420×12、1-□436×10，見圖1中E26E28)、弦桿5(E28E30，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□600×20、1-□420×16)、斜桿3(E14C15，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□460×16、1-□428×12)、斜桿4(E2’C1’，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□420×12、1-□436×10)和斜桿5(E16C17，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□460×20、1-□420×12)，其中弦桿4(E26E28)的疲勞安全儲備系數(shù)最小，只有0.77。這些桿件需進行適當加固，才能滿足30 t重載列車的運營要求。

3.4 桿件穩(wěn)定性分析

壓桿穩(wěn)定的計算公式為

(3)

式中，N為桿件的計算軸向力(MN)；φ1為中心受壓桿件的容許應力折減系數(shù)[13]；Am為桿件的毛截面面積；[σ]為鋼材的基本容許軸向應力。

根據(jù)各桿件的長細比，在《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[13]中查詢?nèi)菰S應力折減系數(shù)，再由Midas軟件得到各桿件的軸力，由公式(3)可計算得到考慮折減系數(shù)以后的最大應力，并將容許應力與最大應力的比值定義為穩(wěn)定安全系數(shù)。取出各類型桿件中穩(wěn)定安全儲備系數(shù)最小的結(jié)果，見表6。

表6 各種荷載組合下桿件的穩(wěn)定安全儲備系數(shù)

注：在組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中，穩(wěn)定安全儲備系數(shù)取各自兩種組合(Ⅱ-1和Ⅱ-2、Ⅲ-1和Ⅲ-2、Ⅳ-1和Ⅳ-2)中的較小值。

由表6可知，普通中-活載作用下鋼桁梁橋各桿件在各種荷載組合下的穩(wěn)定安全儲備系數(shù)均大于1.0，局部穩(wěn)定性滿足要求；30 t重載列車作用下穩(wěn)定安全儲備系數(shù)明顯降低，降幅在15%～20%，且部分桿件的穩(wěn)定安全儲備系數(shù)小于1.0，說明局部穩(wěn)定性已不滿足要求，包括：弦桿1(支座231#、233#處下弦桿，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□600×32、1-□396×24)、斜桿1(E0A2，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□600×24、1-□412×24)、斜桿3(A12C13、A12’C13’，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□460×16、1-□428×12)、下平聯(lián)(支座231#、233#處下平聯(lián)，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□240×10、1-□400×10)、橋門架楣桿3(支座231#、233#處橋門架楣桿，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□240×10、1-□400×10)。

4 結(jié)論

(2)桿件局部受力性能適用性評估。①30 t重載列車下，鋼桁梁各桿件在各種荷載組合下的應力均滿足容許應力的要求，但應力安全儲備系數(shù)較中-活載下降低12%～20%，其中安全儲備系數(shù)最小的是斜桿4；②30 t重載列車下，各桿件疲勞安全儲備系數(shù)較中-活載下減小20%以上，且個別桿件不再滿足疲勞強度的要求，包括弦桿4、5和斜桿3、4、5；③30 t重載列車下各桿件的穩(wěn)定安全儲備系數(shù)較中-活載下降低15%～20%，部分桿件的穩(wěn)定安全儲備系數(shù)小于1.0，局部穩(wěn)定性不滿足要求，包括弦桿1、斜桿1、3、下平聯(lián)和橋門架楣桿3。

總之，本算例中連續(xù)鋼桁梁的整體受力性能滿足30 t重載的運營要求，但個別桿件需進行適當加固，才能滿足30 t重載下的疲勞和穩(wěn)定性的要求。

[1]文雨松, 謝禮群, 王生宏. 鐵路混凝土梁對重載運輸疲勞適應性的試驗研究[J]. 長沙鐵道學院學報, 1996, 14(1): 8-12.

[2]孫國安, 李之榕. 重載列車(25 t軸重)作用下既有線混凝土橋梁的疲勞壽命評估[J]. 鐵道建筑, 1997, 10: 1-6.

[3]左家強.大秦鐵路開行2萬t級重載列車對既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響[J]. 鐵道標準設計, 2006 (1): 43-44.

[4] 孔德艷. 大軸重列車對既有線簡支T梁的靜力影響研究[J]. 鐵道標準設計, 2010 (10):74-76.

[5] 高勛, 牛斌. 既有鐵路橋梁重載改造技術(shù)研究與應用[J]. 鐵道建筑, 2011, 11: 1-4.

[6] 蘇木標, 李建中, 梁志廣. MTMD抑制鐵路上承式鋼板梁橋橫向振動試驗研究[J]. 振動與沖擊，2000,19(1):19-23.

[7] 郭文華，曾慶元. 上承式鋼板梁橋空間振動計算與加固技術(shù)研究[J].中國鐵道科學，2002,23(5):82-88.

[8] 顧萍，顧建新，吳定俊，等.下承式鋼板梁橋橫向剛度加固研究[J].中國鐵道科學，2005,26(1):54-57.

[9] 王子健，李俊，李小珍，等.下承式鐵路鋼橋的病害原因分析與加固措施論證[J].鐵道工程學報，2006(2):43-46.

[10] 李運生, 安利鵬, 魏樹林,等.重載列車作用下鐵路鋼桁梁橋的動力響應分析及疲勞壽命評估[J].石家莊鐵道大學學報：自然科學版, 2012, 25(4): 17-22.

[11] 中華人民共和國鐵道部. TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[12] 戴福忠，陳雅蘭.重載鐵路橋梁設計列車標準活載的研究[J].中國鐵道科學，2004,8(4):80-85.

[13] 中華人民共和國鐵道部. TB10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

Adaptability Analysis of the Railway Steel Truss Bridges under Heavy-haul Loads

Li Yunsheng， Diao Yunfeng, Zhang Yanling

(School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Running heavy haul trains on the existing railway line can satisfy the rapid development of China’s railway transport, but it is bound to have an adverse effect on the safety of existing railway bridges. A four-span railway continuous steel truss in ChangDong yellow river bridge is set as the calculating sample, whose finite element model is build with Midas software, and the adaptability of the whole and local stress behaviors are analyzed under the heavy-haul loads. The results indicate that, the whole stress behaviors of the four-span railway continuous steel truss in ChangDong yellow river bridge satisfy the running demands under the 30 t heavy-haul loads, meanwhile the safety margin of the vertical deformation are lower about 22% than that of under the China railway standard live loading, but the safety margin of the lateral deformation has little decrease. The safety storage coefficients of the stress, fatigue and stability of the truss members are lower nearly 20% than that of under the China railway standard live loading, and the fatigue and stability of some members can not satisfy the demand of the code any longer, which should be strengthen to be used continuously.

heavy haul railway;steel truss bridge;whole stress behavior;local stress behavior;adaptability;safety storage coefficient

2015-10-11 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.04.01

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2013G010-A)

李運生(1970-)，男，博士，教授，研究方向為鋼與組合結(jié)構(gòu)橋梁。E-mail：liysh70@163.com

TU375.4

A

2095-0373(2016)04-0001-07

李運生,刁云峰,張彥玲.鐵路鋼桁梁橋在重載列車下的受力適應性分析[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2016,29(4):1-7.