六七式鐵路舟橋在現(xiàn)行客貨共線鐵路列車荷載作用下的適用性研究

胡 君，王振軍，田 宇，張艷萍

(1.陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)，天津 300161；2.鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 齊河 251100；3.陸軍軍事交通學(xué)院國(guó)防交通系，天津 300161)

鑒于六七式鐵路舟橋具有機(jī)動(dòng)性好，架設(shè)、撤收速度快，通行能力大、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，且不需要修建深水橋墩和基礎(chǔ)，因此舟橋保障成為深水大跨度鐵路橋梁保障的有效手段[1]。但隨著鐵路運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)行鐵路列車荷載已經(jīng)超出鐵路舟橋的原設(shè)計(jì)荷載——中-18級(jí)，在現(xiàn)行鐵路列車荷載圖式中，客貨共線鐵路列車荷載(簡(jiǎn)稱ZKH荷載)是戰(zhàn)時(shí)鐵路交通保障需要考慮的重點(diǎn)荷載。本文以某深水鐵路特大橋?yàn)橹蹣虮Ｕ蠈?duì)象，對(duì)舟橋保障方案的主體部分(包括河中部分和過(guò)渡部分)在ZKH荷載作用下的適用性進(jìn)行研究。

1 保障方案總體結(jié)構(gòu)布置

某深水鐵路特大橋?yàn)殇撹炝簶?，總長(zhǎng)860 m，由12孔等跨70 m下承式連續(xù)鋼桁梁構(gòu)成。一旦損毀嚴(yán)重，在難以進(jìn)行原橋搶修情況下，由于其跨越河流的河面較寬、河水較深，很難搶建便橋；跨越該河的鐵路橋梁很少，迂回保障困難；鐵公和鐵水倒運(yùn)不僅難度大，而且運(yùn)能低，因此利用六七式鐵路舟橋制訂舟橋保障方案成為該橋保障的首選方式。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，該深水鐵路特大橋上游6 km處水流平穩(wěn)，可見流速3 m/s，河面寬近330 m，平均水深7～8 m，漂浮物少，距鐵路線2 km左右，引線較為方便，滿足鐵路舟橋架設(shè)基本條件。其鐵路舟橋保障方案河中部分和過(guò)渡部分結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。其中河中部分為16孔標(biāo)準(zhǔn)門橋，每孔長(zhǎng)16.2 m；過(guò)渡部分為每岸1孔邊孔門橋，每孔長(zhǎng)34.28 m，整個(gè)河中部分和過(guò)渡部分共計(jì)327.76 m。

圖1 鐵路舟橋保障方案(單位：mm)

2 六七式鐵路舟橋有限元模型的建立與驗(yàn)證

2.1 基本假設(shè)

由于六七式鐵路舟橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用ANSYS有限元分析軟件建立其河中部分和過(guò)渡部分有限元模型，必須基于一定的假設(shè)：六七式鐵路舟橋梁部結(jié)構(gòu)是抗彎強(qiáng)度相同的彈性地基梁[2]，不考慮橫向水流和橫向風(fēng)力的作用；使用彈簧模擬水的浮力，單個(gè)彈簧剛度為K=ρgA/n，其中：n為彈簧個(gè)數(shù)；A為全形舟浸水線面積。

2.2 舟橋有限元模型建立

為了減少單元數(shù)量，在建模過(guò)程中使用APDL命令流選取河中部分和過(guò)渡部分的一半進(jìn)行建模，然后通過(guò)平面對(duì)稱得到整個(gè)模型。

舟橋梁部主體結(jié)構(gòu)為全焊板梁，主要材料為Q345鋼，各板相當(dāng)于薄殼結(jié)構(gòu)，因此采用Shell181單元模擬；托架結(jié)構(gòu)各桿件為角鋼，主要材料為Q235鋼，主要承受軸向力，因此采用Link180單元模擬；浮墩作為剛體，主要起到傳遞水的浮力和施加邊界條件的作用，因此選用Solid45單元模擬；將水的浮力簡(jiǎn)化成彈簧來(lái)模擬浮墩在水中所受的浮力，該彈簧單元只承受軸向壓縮或拉伸，為軸向彈簧，因此選擇Combine14單元[3]。建模過(guò)程中，取鋼材彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比ν=0.3，全形舟浸水線面積為79 m2，舟橋恒載為10.5 kN/m。

在整個(gè)舟橋兩端施加簡(jiǎn)支約束；河中部分和過(guò)渡部分連接處為鉸接；河中部分連續(xù)梁和托架采用共節(jié)點(diǎn)連接；每條全形舟兩端中間節(jié)點(diǎn)處約束其沿河流方向的位移，以保持橋軸線順直。建立的舟橋河中部分和過(guò)渡部分有限元模型如圖2所示。

圖2 鐵路舟橋有限元模型

2.3 舟橋有限元模型驗(yàn)證

由于六七式鐵路舟橋原設(shè)計(jì)荷載為中-18級(jí)，故采用該荷載進(jìn)行仿真模擬，并將仿真模擬結(jié)果與六七式鐵路舟橋在中-18級(jí)荷載作用下的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，從而對(duì)舟橋有限元模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出，梁部結(jié)構(gòu)上翼緣、下翼緣、槽鋼的最大彎曲正應(yīng)力、腹板的最大剪應(yīng)力以及托架各桿最大桿力的仿真模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差均不超過(guò)10%。由此可知，六七式鐵路舟橋河中部分和過(guò)渡部分有限元模型的建立方法、約束和荷載的施加方法是可行、可靠的。

表1 舟橋理論計(jì)算與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 ZKH荷載作用下舟橋的適用性分析

3.1 ZKH荷載的施加

按照我國(guó)2016年頒布的《鐵路列車荷載圖式》，ZKH荷載由兩部分組成，即集中荷載和均布荷載。在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的六七式鐵路舟橋有限元模型上施加ZKH荷載，進(jìn)行求解計(jì)算，提取仿真模擬結(jié)果。

3.2 梁部結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在ZKH荷載作用下，梁部結(jié)構(gòu)上翼緣、下翼緣、上翼緣槽鋼最大彎曲正應(yīng)力和腹板最大剪應(yīng)力歷程曲線如圖3所示；最大彎曲正應(yīng)力和腹板最大剪應(yīng)力的具體數(shù)值如表2所示。

圖3 梁部結(jié)構(gòu)各板最大彎曲正應(yīng)力

表2 ZKH荷載作用下舟橋梁部結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

從圖3可知：在ZKH荷載作用下，邊孔梁部結(jié)構(gòu)上翼緣、下翼緣和上翼緣槽鋼較河中部分更大，起控制作用。邊孔各板最大彎曲應(yīng)力值隨著荷載移動(dòng)，先是迅速增大，然后立即減小并趨于平穩(wěn)；在荷載移動(dòng)至另一邊孔門橋時(shí)，各板應(yīng)力值有明顯波動(dòng)。

從表2、圖3可以看出，舟橋邊孔梁部結(jié)構(gòu)下翼緣最大彎曲拉應(yīng)力和上翼緣槽鋼最大彎曲壓應(yīng)力均超過(guò)了Q345鋼材的容許彎曲應(yīng)力210 MPa。由此可知，邊孔門橋梁部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足ZKH荷載通行要求，需采取有效措施進(jìn)行加強(qiáng)。河中部分梁部結(jié)構(gòu)各板最大彎曲應(yīng)力和舟橋梁部結(jié)構(gòu)腹板的最大剪應(yīng)力均小于容許應(yīng)力值，滿足ZKH荷載的通行要求。

3.3 托架桿力

在ZKH荷載作用下，邊孔門橋和河中部分托架立桿、斜桿的最大桿力仿真模擬結(jié)果如圖4和表3所示。

圖4 ZKH荷載作用下托架立桿和斜桿最大桿力

由表3和圖4可知，在ZKH列車荷載下，邊孔托架各桿桿力要大于河中托架，起控制作用；邊孔托架立桿和斜桿整體穩(wěn)定性不足，不滿足ZKH荷載通行要求，需要采取有效措施進(jìn)行加強(qiáng)；邊孔托架上下弦桿桿力遠(yuǎn)小于立桿和斜桿桿力，其強(qiáng)度均滿足ZKH荷載通行要求；河中部分托架各桿桿力較邊孔部分均較小，滿足ZKH荷載通行要求。

表3 邊孔和河中部分托架各桿加固前后受力分析

3.4 梁部結(jié)構(gòu)豎向位移和浮墩下沉

在ZKH荷載作用下，梁部結(jié)構(gòu)最大豎向位移和浮墩最大下沉的仿真模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 梁部結(jié)構(gòu)最大豎向位移和浮墩下沉歷程曲線

根據(jù)ZKH荷載的施加方式，在集中荷載上橋之前，全橋已布滿ZKH均布荷載，舟橋梁部結(jié)構(gòu)河中部分初始撓度為873.225 mm，當(dāng)最右端集中荷載移動(dòng)至距舟橋左端38 m和296 m處，其豎向位移達(dá)到較大值，分別為1 019.25 mm、1 019.75 mm，均超過(guò)了梁部結(jié)構(gòu)豎向允許撓度值820.15 mm，不滿足剛度要求。

全形舟設(shè)計(jì)最大吃水為1 200 mm，恒載作用下河中全形舟最大吃水為371 mm[4]，在ZKH荷載作用下，浮墩最大下沉為1 003.14 mm，再加上恒載作用下的吃水，大于設(shè)計(jì)吃水，不滿足荷載通行要求。

4 舟橋加固方案

六七式鐵路舟橋作為一種制式器材，如對(duì)其梁部結(jié)構(gòu)和托架選用強(qiáng)度更高的鋼材，則需要重新生產(chǎn)制造舟橋梁部和托架結(jié)構(gòu)件，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高。相較而言，通過(guò)增加浮墩數(shù)量，調(diào)整浮墩布置，可以提供更大的浮力，有效改善舟橋梁部結(jié)構(gòu)撓度和浮墩下沉；同時(shí)增加浮墩的數(shù)量，托架桁數(shù)量也隨之增加，每片托架桁受力也就會(huì)隨之減??；梁的跨度會(huì)減小，梁部結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力也會(huì)隨之減小。舟橋的標(biāo)準(zhǔn)梁節(jié)每間隔1.35 m，在下翼緣加勁肋兩側(cè)預(yù)留有安裝托架的螺栓孔，因此可以很方便地調(diào)整托架和浮墩位置。綜上，本文擬采用增加浮墩數(shù)量、調(diào)整浮墩布置的方式，來(lái)改進(jìn)舟橋的受力情況，提高其承載能力。

如圖6所示，河中部分加固方案是將1孔標(biāo)準(zhǔn)門橋的2條全形舟增加至3條，舟間距由原方案的8.1 m調(diào)整為5.4 m。邊孔門橋加固方案是在原方案大浮墩河側(cè)位置增加1條全形舟來(lái)提供浮力，使大浮墩全形舟由原方案的4條增加為5條；同時(shí)在岸邊支座和大浮墩之間增加1個(gè)由2條全形舟組成的輔助墩，為該處梁部結(jié)構(gòu)提供支撐。

圖6 舟橋加固方案(單位：mm)

5 加固后舟橋ZKH荷載適用性分析

5.1 梁部結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由于河中部分梁部結(jié)構(gòu)各板彎曲應(yīng)力要小于邊孔門橋，不起控制作用，故著重對(duì)邊孔門橋梁部結(jié)構(gòu)上翼緣、下翼緣、上翼緣槽鋼的最大彎曲應(yīng)力進(jìn)行分析。在ZKH荷載作用下，加固后梁部結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真模擬結(jié)果見表2，相關(guān)數(shù)據(jù)均小于Q345鋼材的容許應(yīng)力值，滿足ZKH荷載通行要求。

5.2 托架桿力

在ZKH荷載作用下，托架上下弦桿桿力較托架立桿和斜桿明顯要小，不起控制作用，故著重對(duì)托架立桿和斜桿進(jìn)行分析。加固后舟橋方案托架立桿和斜桿最大桿力、應(yīng)力的仿真模擬結(jié)果見表3，加固后托架各桿的最大桿力明顯減小，均滿足ZKH荷載通行要求。

5.3 梁部結(jié)構(gòu)最大豎向位移和浮墩下沉

在ZKH荷載作用下，加固后舟橋方案全橋梁部結(jié)構(gòu)最大豎向位移和浮墩下沉較原方案有明顯改善。加固后邊孔門橋與河中部分門橋鉸接位置處梁部結(jié)構(gòu)豎向位移最大值669.7 mm，小于容許撓度值820.15 mm，滿足ZKH荷載通行要求；浮墩最大下沉為664.34 mm，再加上恒載下吃水，小于浮墩設(shè)計(jì)吃水1 200 mm，滿足ZKH荷載通行要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文僅考慮了豎向列車荷載，未考慮風(fēng)載、列車搖擺力等附加荷載，且沒(méi)有考慮在列車荷載作用下舟橋的動(dòng)力特性，今后還需要進(jìn)一步研究；有條件時(shí)，還需借助荷載試驗(yàn)進(jìn)行六七式鐵路舟橋在現(xiàn)行鐵路列車荷載作用下的適用性分析。