可展式鐵路搶修梁的技術(shù)方案研究與力學(xué)分析

張非凡，徐光興，李明陽

(1.石家莊鐵道大學(xué)河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心,石家莊 050043; 2.石家莊鐵道大學(xué)安全工程與應(yīng)急管理學(xué)院,石家莊 050043)

引言

鐵路運(yùn)輸是我國(guó)物資和人員運(yùn)輸?shù)闹е?我國(guó)建有全球最大的高鐵網(wǎng)和第二大普鐵網(wǎng),橋梁作為高鐵線路的主要組成部分和普鐵線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),其數(shù)量多、分布廣[1-4]。鐵路橋梁在自然災(zāi)害下可能發(fā)生損毀,在戰(zhàn)時(shí)也是敵方重點(diǎn)打擊目標(biāo)。因而,對(duì)損毀的橋梁進(jìn)行快速搶修歷來是交通應(yīng)急保障領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題。

我國(guó)既有鐵路梁部搶修器材有六四式鐵路搶修梁、八七式鐵路搶修梁、拆裝式桁梁等[5-7]。六四梁是目前常規(guī)跨度鐵路簡(jiǎn)支梁橋的搶修器材,為構(gòu)架式結(jié)構(gòu),拼裝速度快但存儲(chǔ)運(yùn)輸占用空間大,在東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車單機(jī)隨掛70 kN/m的活載作用下,最大通車速度為40 km/h,可適應(yīng)16～44 m跨度的鐵路橋梁搶修。八七梁為線性桿件式結(jié)構(gòu),存儲(chǔ)運(yùn)輸方便,但拼裝過程復(fù)雜,拼架一孔64 m上承式梁約需30 h,在前進(jìn)型內(nèi)燃機(jī)車單機(jī)隨掛70 kN/m的活載作用下,最大通車速度為40 km/h,可適應(yīng)40～96 m跨度的鐵路橋梁搶修。拆裝梁是用于鐵路橋梁搶修的又一種梁型,適應(yīng)跨度為12～80 m,在前進(jìn)型機(jī)車單機(jī)隨掛60 kN/m的活載作用下除特殊情況外可不限速通過,線性桿件式的設(shè)計(jì)使其存儲(chǔ)運(yùn)輸方便,但其桿件及配件種類多達(dá)59種,拼架過程繁瑣,拼架一孔32 m跨度的拆裝梁需40 h。

上述分析可知,我國(guó)既有梁部搶修器材的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)是根據(jù)20世紀(jì)六七十年代國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和當(dāng)時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)中橋梁搶修的特點(diǎn)和戰(zhàn)術(shù)要求確定的,隨著我國(guó)鐵路列車軸重的不斷加大、橋梁跨度的不斷調(diào)整、通車速度的不斷提高,既有鐵路搶修梁設(shè)計(jì)荷載低、通車速度慢、拼裝復(fù)雜、存儲(chǔ)運(yùn)輸不便等缺點(diǎn)已不能完全滿足現(xiàn)代鐵路橋梁搶修的需求[8-9]。就我國(guó)鐵路搶修梁研發(fā)而言,近30年沒有新的梁部搶修器材列入儲(chǔ)備。因此,研究一種新型鐵路搶修梁就顯得十分迫切與必要。

可展結(jié)構(gòu)是基于機(jī)構(gòu)學(xué)理論的一種新型結(jié)構(gòu),它具有兩種穩(wěn)定的構(gòu)型:完全折疊狀態(tài)和完全展開狀態(tài)。結(jié)構(gòu)處于完全折疊狀態(tài)時(shí)體積較小,便于運(yùn)輸和存儲(chǔ);結(jié)構(gòu)展開并鎖定后,可轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀尾蛔凅w系,發(fā)揮其使用功能[10-11]。采用可展結(jié)構(gòu)是解決搶修梁橋節(jié)存儲(chǔ)、運(yùn)輸狀態(tài)體積大且拼裝復(fù)雜等缺點(diǎn)的有效方案,有望成為發(fā)展新型裝配式橋梁的關(guān)鍵技術(shù)。在交通應(yīng)急保障領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者將可展結(jié)構(gòu)應(yīng)用于公路、人行橋梁的梁部搶修器材中[12-20],但在鐵路橋梁應(yīng)急搶修領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外對(duì)此還鮮有研究。本文在既有鐵路搶修梁的基礎(chǔ)上,根據(jù)可展結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種可展式鐵路搶修梁的技術(shù)方案,建立了有限元模型和多體動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)其力學(xué)性能和車橋耦合性能進(jìn)行了分析。

1 可展式鐵路搶修梁技術(shù)方案

1.1 搶修梁的組成和結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示,可展式鐵路搶修梁采用上承式簡(jiǎn)支鋼桁梁的結(jié)構(gòu)形式,梁高3.3 m,寬2.6 m,梁高可適應(yīng)我國(guó)大部分32 m鐵路簡(jiǎn)支梁的梁高標(biāo)準(zhǔn)。整孔搶修梁由兩組空間桁架梁通過上下平縱聯(lián)、橫聯(lián)連接組成,搶修梁頂部簡(jiǎn)易橋面系與上平縱聯(lián)通過螺栓連接。每組空間桁梁由2片左傾斜腹桿桁架、1片右傾斜腹桿桁架和1片間斷斜腹桿桁架組成,每片平面桁架的腹桿向同一方向傾斜,相鄰平面桁架的腹桿傾斜方向相反。

圖1 可展搶修梁結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.1 Deployable emergency repair beam structure (unit: mm)

圖2為右傾斜腹桿桁架示意,右傾斜腹桿桁架的工作狀態(tài)分為完全展開狀態(tài)和半展開狀態(tài),分別對(duì)應(yīng)不同的搶修梁高。由圖2(a)可知,完全展開狀態(tài)的32 m跨右傾斜腹桿桁架由1個(gè)1號(hào)端構(gòu)架、1個(gè)2號(hào)端構(gòu)架和3個(gè)中間構(gòu)架通過上下弦桿的螺栓連接而成,梁跨組成為(4.2+8×3+4.2) m。中間構(gòu)架為一平行四邊形多連桿可變機(jī)構(gòu),由4根平行設(shè)置的斜腹桿和上、下弦桿通過鋼銷鉸接而成,在伸縮裝置的作用下,中間構(gòu)架可實(shí)現(xiàn)展開/折疊,分別對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)和存儲(chǔ)、運(yùn)輸狀態(tài)。端構(gòu)架由上下弦桿、斜腹桿、端豎桿組成,1號(hào)、2號(hào)端構(gòu)架上下弦桿長(zhǎng)度略有不同,拔出端豎桿與上弦桿的連接鋼銷后,端構(gòu)架成為一平行四邊形多連桿機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)折疊。左傾斜腹桿桁架與右傾斜腹桿桁架形式相同,可由右傾斜腹桿桁架調(diào)頭得到。由圖2(b)可知,半展開狀態(tài)的24 m跨右傾斜腹桿桁架由1個(gè)L1號(hào)端構(gòu)架、1個(gè)L2號(hào)端構(gòu)架和3個(gè)中間構(gòu)架通過上下弦桿的螺栓連接而成,梁跨組成為(2+8+4+8+2) m。與完全展開狀態(tài)的右傾斜腹桿桁架相同,中間構(gòu)架和端構(gòu)架在解除連接部位和鎖定部位后均變?yōu)槠叫兴倪呅味噙B桿可變機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)折疊/展開。同樣的,半展開狀態(tài)左傾斜腹桿桁架與右傾斜腹桿桁架形式相同,可由右傾斜腹桿桁架調(diào)頭得到。

圖2 右傾斜腹桿桁架(單位:mm)Fig.2 Right inclined web member truss (unit: mm)

由端構(gòu)架、若干中間構(gòu)架連接而成的左、右傾斜腹桿桁架,拔出端部桿件與上弦桿的連接鋼銷后,整片桁架也是一個(gè)多連桿可變機(jī)構(gòu)。桁架展開到位后,連接相鄰片間弦桿上的連接螺栓并固定端豎桿與上弦桿的連接鋼銷,可使空間桁架梁成為幾何不變的結(jié)構(gòu)體系,承受荷載的作用。

圖3所示為間斷斜腹桿構(gòu)架,每個(gè)間斷斜腹桿構(gòu)架長(zhǎng)8 m,其主要作用是兼做導(dǎo)梁,輔助搶修梁的架設(shè)。間斷斜腹桿構(gòu)架第3根斜腹桿可沿上下弦桿滑動(dòng),其與上下弦桿有兩個(gè)連接銷孔位置,與左側(cè)孔位連接時(shí)呈展開(工作)狀態(tài),與右側(cè)孔位連接時(shí)呈折疊(存儲(chǔ)、架設(shè))狀態(tài)。

圖3 間斷斜腹桿構(gòu)架Fig.3 Interrupted oblique web member frame

上、下平縱聯(lián)采用同一結(jié)構(gòu),每組上、下平縱聯(lián)由2根橫梁、2根“X”形布置的斜撐組成(圖1),拔出“X”形斜撐與2根橫梁一端的連接鋼銷,上、下平縱聯(lián)可折疊并攏,便于存儲(chǔ)、運(yùn)輸。橫聯(lián)包括橫聯(lián)斜撐和橫聯(lián)水平撐,分別用于工作狀態(tài)和架設(shè)狀態(tài)。

1.2 搶修梁的主要技術(shù)性能指標(biāo)

(1)適應(yīng)跨度:32,24 m。

我國(guó)鐵路簡(jiǎn)支梁橋跨度以32 m為主,24 m等跨度作為輔助調(diào)跨。完全展開狀態(tài)和半展開狀態(tài)的可展式鐵路搶修梁梁高分別為3.0 m和2.3 m,通過不同長(zhǎng)度主桁構(gòu)架和端構(gòu)架的組合可分別適應(yīng)32 m跨度和24 m跨度的鐵路橋梁搶修。

(2)設(shè)計(jì)活載:東風(fēng)4+70 kN/m活載、ZK活載、ZKH活載。

根據(jù)《鐵路橋梁搶修(建)技術(shù)規(guī)程(試行)》(以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)程》”),采用東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車單機(jī)隨掛70 kN/m活載。為滿足現(xiàn)代鐵路橋梁搶修需求,還考慮了高鐵ZK活載和客貨共線鐵路ZKH活載。

(3)架設(shè)速度:4小時(shí)展開架設(shè)一孔32 m搶修梁。

可展式搶修梁采用構(gòu)件一體化的設(shè)計(jì)理念,與既有搶修梁相比,可顯著縮短拼裝時(shí)間。通過設(shè)計(jì)合理的展開方案并結(jié)合內(nèi)嵌導(dǎo)梁的架設(shè)方法,可實(shí)現(xiàn)4小時(shí)內(nèi)架設(shè)一孔32 m搶修梁。

(4)存儲(chǔ)性能:存儲(chǔ)空間小、運(yùn)輸裝載系數(shù)高。

由于搶修梁節(jié)段可折疊/展開的特點(diǎn),存儲(chǔ)時(shí)占用空間小,運(yùn)輸時(shí)可采用鐵路平板車或卡車直接運(yùn)輸,增大了運(yùn)輸裝載系數(shù)。與既有構(gòu)架式搶修梁相比,其存儲(chǔ)、運(yùn)輸性能優(yōu)良。

1.3 搶修梁的架設(shè)方法

搶修梁的架設(shè)方法是搶修梁設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一,與搶修梁的技術(shù)方案相輔相成,共同決定了搶修梁的綜合性能。利用既有線路配合小型機(jī)具或器材配套裝備進(jìn)行搶修梁的架設(shè),是橋梁應(yīng)急搶修時(shí)優(yōu)先考慮的技術(shù)方案,其具有準(zhǔn)備工作量小、操作簡(jiǎn)單、作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

本文結(jié)合可展式鐵路搶修梁的特點(diǎn),提出了一種內(nèi)嵌導(dǎo)梁的架設(shè)方案。外側(cè)各3片左、右傾斜腹桿桁架與上、下平縱連共同構(gòu)成一個(gè)“口”字形封閉結(jié)構(gòu)(下稱“口字結(jié)構(gòu)”),內(nèi)部?jī)善g斷斜腹桿平面桁架通過橫聯(lián)連接,嵌在口字結(jié)構(gòu)內(nèi)(圖1)。當(dāng)搶修梁處于折疊狀態(tài)時(shí),間斷斜腹桿桁架和橫聯(lián)構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)可沿順橋向滑出,作為搶修梁架設(shè)時(shí)的導(dǎo)梁,搶修梁的架設(shè)方法如下。

(1)由圖4(a)可知,運(yùn)輸搶修梁構(gòu)件至待架孔橋頭,第一輛平板車上裝有可旋轉(zhuǎn)落梁支腿、滑輪系統(tǒng)和簡(jiǎn)易起升裝置等設(shè)備,后幾輛平板車上裝載折疊狀態(tài)的搶修梁構(gòu)件和橋面系構(gòu)件。

圖4 搶修梁架設(shè)流程Fig.4 Construction process of emergency repair beam

(2)由圖4(b)可知,在橋頭支好可旋轉(zhuǎn)支腿并在主線路兩側(cè)鋪設(shè)供簡(jiǎn)易起重機(jī)移動(dòng)的臨時(shí)鋼軌。首先,利用縱向連接螺栓和橫向連接螺栓拼組折疊狀態(tài)的左、右傾斜腹桿桁架和下平縱聯(lián),并在搶修梁左端部下平縱聯(lián)上安裝配重,暫不拼組上平縱聯(lián),利用位于既有梁內(nèi)側(cè)的兩臺(tái)簡(jiǎn)易起重機(jī)吊起拼組好的桁架并向前移動(dòng),將其送至待架孔1/3跨度處。其次,在處于折疊狀態(tài)且?guī)缕娇v聯(lián)的主桁空間內(nèi)拼組間斷斜腹桿桁架,使用橫聯(lián)水平撐連接兩片間斷斜腹桿桁架,在間斷斜腹桿桁架左端和懸臂端上弦桿上連接加長(zhǎng)弦桿以輔助架設(shè),并在間斷斜腹桿桁架左端部安裝配重。利用牽引繩將位于橋頭的簡(jiǎn)易起重機(jī)和間斷斜腹桿桁架懸臂端連接,以調(diào)整懸臂端方向。最后,利用位于既有梁內(nèi)側(cè)的兩臺(tái)簡(jiǎn)易起重機(jī)吊起拼組好的間斷斜腹桿桁架并向前移動(dòng),當(dāng)間斷斜腹桿桁架懸臂端將要移動(dòng)至對(duì)面梁上方時(shí),落下被吊起的桁架并利用千斤頂頂推間斷斜腹桿桁架尾部,使其懸臂端至對(duì)面梁梁端上方,并拼組上平縱聯(lián)和橋面系,使平縱聯(lián)和主桁形成“口”字結(jié)構(gòu)。

(3)由圖4(c)可知,使用簡(jiǎn)易起重機(jī)吊起搶修梁左端部并利用牽引繩調(diào)整間斷斜腹桿桁架懸臂端,將懸臂端搭在對(duì)面梁端部。向前移動(dòng)位于既有梁內(nèi)側(cè)的簡(jiǎn)易起重機(jī),將“口”字形結(jié)構(gòu)送入向外伸出的導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)。

(4)由圖4(d)可知,撤掉配重和牽引間斷斜腹桿桁架懸臂端的牽引繩,并利用牽引繩連接位于梁端的簡(jiǎn)易起重機(jī)和間斷斜腹桿桁架左端部上弦桿,連接間斷斜腹桿桁架與傾斜構(gòu)架間的上弦桿。

(5)由圖4(e)、圖4(f)可知,伸長(zhǎng)左、右傾斜腹桿桁架上、下弦桿之間的伸縮裝置,逐漸展開左、右傾斜腹桿桁架,安裝各片桁架下弦桿間的橫向連接螺栓,使之成為幾何不變結(jié)構(gòu)體系。利用位于梁端的簡(jiǎn)易起重機(jī)將搶修梁端部下落,將搶修梁兩端落在落梁千斤頂上。展開間斷斜腹桿平面桁架,安裝間斷斜腹桿平面桁架與左、右傾斜腹桿桁架下弦桿間的橫向連接螺栓,安裝兩片間斷斜腹桿平面桁架之間的橫聯(lián)斜撐,拆除位于間斷斜腹桿桁架兩端的加長(zhǎng)上弦桿,利用落梁千斤頂將搶修梁整體落梁到位,完成一孔搶修梁的架設(shè)。

2 搶修梁力學(xué)性能分析

2.1 荷載作用下?lián)屝蘖毫W(xué)性能分析

搶修梁主要構(gòu)件全部采用H形焊接截面,Q345D材質(zhì),銷軸采用42CrMo材質(zhì)。其中,上、下弦桿截面250 mm×200 mm×25 mm×25 mm,右傾斜腹桿截面200 mm×150 mm×20 mm×20 mm,左傾斜腹桿、間斷腹桿截面200 mm×150 mm×12 mm×12 mm;銷軸為半徑40 mm的圓形截面。

利用ANSYS軟件建立32m跨度搶修梁的有限元模型,上下弦桿、腹桿、平縱聯(lián)等構(gòu)件通過Beam188梁?jiǎn)卧M,釋放腹桿和上下弦桿連接銷軸處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,對(duì)非必要構(gòu)件適當(dāng)簡(jiǎn)化,同時(shí)采用增加密度的方法來彌補(bǔ)簡(jiǎn)化構(gòu)件的自重。本文搶修梁兼顧搶修荷載、客貨共線荷載和高鐵荷載作用,因此,施加的活載包括東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車外掛70 kN/m的豎向活載、ZKH活載和ZK活載;列車橫向搖擺力取100 kN,以集中荷載的形式作用于主梁跨中上弦桿位置;橫向風(fēng)壓取0.5 kPa,以均布荷載形式施加于上弦桿?；钶d考慮1.29的沖擊系數(shù),荷載按最不利工況進(jìn)行組合:自重+活載+列車搖擺力+橫向風(fēng)力。搶修梁有限元模型如圖5所示。

圖5 搶修梁有限元模型Fig.5 Finite element model of the emergency repair beam

表1給出了荷載最不利組合下?lián)屝蘖褐饕芰?gòu)件的應(yīng)力和跨中位移情況。僅自重作用下,搶修梁主要受力桿件的應(yīng)力較小,跨中各向位移遠(yuǎn)低于TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(下文簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”)規(guī)定的豎向位移35.5 mm、橫向位移8 mm的限值要求。

表1 荷載最不利組合下?lián)屝蘖簯?yīng)力和跨中位移Table 1 Stress and mid-span displacement of the emergency repair beam under the most unfavorable load combination

在ZK組合的作用下,搶修梁各主要受力桿件的應(yīng)力和跨中各向位移略大于東風(fēng)4組合,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《規(guī)范》要求。搶修梁可適應(yīng)高鐵列車通過時(shí)的荷載工況。

ZKH荷載最不利組合下?lián)屝蘖旱母黜?xiàng)力學(xué)指標(biāo)最大,跨中上弦桿和梁端右傾斜腹桿應(yīng)力分別為-79.0 MPa和-105.0 MPa,但遠(yuǎn)低于Q345D鋼材的容許軸向應(yīng)力;梁端部銷軸的剪切應(yīng)力與彎曲應(yīng)力分別為177.2 MPa和612.2 MPa,滿足42CrMo鋼材的強(qiáng)度要求;搶修梁跨中豎向和橫向最大位移分別為34.9 mm和3.51 mm,滿足《規(guī)范》要求。ZKH荷載作用下?lián)屝蘖旱膹?qiáng)度和剛度滿足使用要求。

2.2 搶修梁模態(tài)分析

表2給出了搶修梁的前6階自振頻率和對(duì)應(yīng)的振型。搶修梁前3階自振頻率對(duì)應(yīng)的振型分別為橫彎、豎彎和扭轉(zhuǎn),說明搶修梁的橫向抗彎剛度最弱、豎向抗彎剛度次之、抗扭剛度其后。搶修梁一階橫彎對(duì)應(yīng)的自振頻率為5.965 Hz,滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(下文簡(jiǎn)稱“《檢規(guī)》”)規(guī)定的對(duì)于無橋面系的普通鋼桁梁橫向自振頻率f>100/L、對(duì)應(yīng)32 m簡(jiǎn)支梁3.20 Hz的要求。

表2 搶修梁前6階自振頻率及振型Table 2 Natural vibration frequencies and modes of the first six orders of the emergency repair beam

3 搶修梁車橋耦合振動(dòng)分析

3.1 車輛模型建立

使用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立了C70敞車和CRH380A高鐵動(dòng)車的車輛模型。兩種車輛的輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架和車體均考慮6個(gè)方向的自由度,每節(jié)車輛共42個(gè)自由度,兩種車型均采用8輛編組形式。C70敞車車輪采用LM踏面,CRH380A高鐵動(dòng)車采用LMA踏面,軌道均采用60軌。計(jì)算時(shí),將軌道視為無質(zhì)量的黏彈性力單元并忽略軌道的扭轉(zhuǎn)剛度。搶修梁與車輛的相互作用力通過設(shè)置在鋼軌軌頭和軌底的彈簧和阻尼器進(jìn)行傳遞,軌底彈簧和軌頭彈簧剛度系數(shù)依據(jù)CRTSⅡ型板的扣件剛度[21],分別取5×107N/m、3×107N/m,軌底阻尼器和軌頭阻尼器的阻尼系數(shù)分別取6.0×104N·s/m、5.0×104N·s/m。采用Kalker簡(jiǎn)化理論計(jì)算輪軌接觸力。采用美國(guó)五級(jí)軌道譜作為車橋系統(tǒng)的激勵(lì)源。橋梁結(jié)構(gòu)采用瑞利阻尼,根據(jù)JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于鋼桁架主梁阻尼比的規(guī)定,取0.005。車輛的多體動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 C70敞車及CRH380A列車多體動(dòng)力學(xué)模型Fig.6 Multi-body dynamics model of C70 and CRH380A train

3.2 貨車作用下?lián)屝蘖旱能嚇蝰詈戏治?/h3>

將貨運(yùn)列車以全列重車、全列空車和2重+2空+2重+2空的編組形式進(jìn)行編組,使其分別通過搶修梁并進(jìn)行車橋耦合分析。圖7～圖9給出了貨運(yùn)列車以不同的編組形式通過搶修梁時(shí),搶修梁和車輛最大響應(yīng)隨車速的變化情況。

圖7 跨中最大位移響應(yīng)Fig.7 Maximum displacement response in midspan

對(duì)于搶修梁響應(yīng),由圖7(a)可知,搶修梁跨中最大豎向動(dòng)位移隨車重提高而增加,隨車速的提高變化不明顯。由圖7(b)可知,全列重車對(duì)搶修梁跨中最大橫向動(dòng)位移的影響最大,重空編組次之,全列空車最小;3種編組方式對(duì)搶修梁跨中最大橫向動(dòng)位移的影響隨車速的變化趨勢(shì)相同;3種編組方式作用下,搶修梁跨中最大橫向動(dòng)位移均滿足《檢規(guī)》規(guī)定的32 m跨鋼桁梁橫向振幅最大不超過5.818 mm要求。

由圖8(a)和圖8(b)可知,列車以不同編組形式通過搶修梁時(shí),搶修梁跨中最大橫向和豎向加速度均隨車速的提高而增大;重空編組列車對(duì)跨中加速度的影響最大,全列重車次之,全列空車最小;當(dāng)車速>80 km/h時(shí),在重空編組列車的作用下,搶修梁跨中最大橫向加速度為1.483 m/s2,已超出《檢規(guī)》規(guī)定的橋梁最大橫向加速度不超過1.4 m/s2的要求;搶修梁跨中最大豎向加速度滿足《規(guī)范》規(guī)定的列車通過時(shí)跨中最大豎向加速度不超過0.5g的要求。

圖8 跨中最大加速度響應(yīng)Fig.8 Maximum acceleration response in midspan

根據(jù)《規(guī)范》,保證車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)為輪對(duì)橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率。由圖9(a)可知,在車速一定時(shí),重車的輪對(duì)橫向力要普遍大于空車;輪對(duì)橫向力隨車速的提高而增大,且空車的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯高于重車;當(dāng)車速為90 km/h時(shí),全列空車最大輪對(duì)橫向力為35.682 kN,滿足《規(guī)范》中規(guī)定的客貨共線鐵路列車輪對(duì)橫向力≯80 kN的要求。由圖9(b)和圖9(c)可知,車輛輪重減載率和脫軌系數(shù)均隨車速的提高而非線性增長(zhǎng)且空車的響應(yīng)要明顯大于重車;當(dāng)車速達(dá)到70 km/h時(shí),車輛最大輪重減載率為0.607,當(dāng)車速達(dá)到80 km/h時(shí),車輛最大脫軌系數(shù)為0.984,均已超出《規(guī)范》規(guī)定的客貨共線鐵路車輛輪重減載率<0.6、脫軌系數(shù)<0.8的限值要求。

圖9 保證車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)Fig.9 Key indicators of safe operation of vehicles

3.3 高鐵列車作用下?lián)屝蘖旱能嚇蝰詈戏治?/h3>

表3和表4分別給出了高鐵列車通過時(shí),搶修梁和車輛相應(yīng)指標(biāo)的最大響應(yīng)值。由表3可知,搶修梁跨中最大豎向動(dòng)位移隨車速的變化不明顯,搶修梁跨中最大橫向動(dòng)位移隨車速的提高有先減小后增大的趨勢(shì);搶修梁跨中最大橫向和豎向加速度均隨車速的提高呈非線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)高鐵列車以低于120 km/h的車速通過搶修梁時(shí),搶修梁跨中最大橫向動(dòng)位移和跨中最大豎向、橫向加速度均滿足相關(guān)規(guī)范要求,但高鐵列車以110 km/h的速度通過搶修梁時(shí),搶修梁跨中橫向振動(dòng)加速度為1.362 m/s2,已經(jīng)十分接近1.4 m/s2的限值要求;當(dāng)高鐵列車以130 km/h的速度通過搶修梁時(shí),搶修梁跨中最大橫向加速度為1.643 m/s2,已超出《檢規(guī)》的限值要求。

表3 不同車速通過時(shí)搶修梁最大動(dòng)力響應(yīng)Table 3 Maximum dynamic response of the emergency repair beam when passing at different vehicle speeds

表4 不同車速通過時(shí)車輛最大動(dòng)力響應(yīng)Table 4 Maximum dynamic response of the vehicle when passing at different vehicle speeds

由表4可知,從車輛運(yùn)行安全角度看,脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪對(duì)橫向力這3個(gè)指標(biāo)均隨車速的提高而增大。當(dāng)高鐵列車以低于120 km/h的車速通過搶修梁時(shí),車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率均滿足《規(guī)范》規(guī)定的高鐵列車脫軌系數(shù)≯0.8,輪重減載率≯0.6的限值要求;當(dāng)高鐵列車以130 km/h的車速通過搶修梁時(shí),車輛最大輪重減載率為0.817,已超出限值要求?！兑?guī)范》中規(guī)定:高鐵列車輪對(duì)橫向力Q應(yīng)滿足Q≤10+P0/3(其中P0為軸重),對(duì)于CRH380A高鐵為Q≤59 kN的要求。故當(dāng)列車以低于130 km/h的車速通過搶修梁時(shí),其輪對(duì)橫向力均滿足《規(guī)范》要求。

4 結(jié)論

本文將可展結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鐵路橋梁搶修領(lǐng)域,提出了一種可展式鐵路搶修梁的技術(shù)方案和架設(shè)方法,并對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)和車橋耦合振動(dòng)分析。主要結(jié)論如下。

(1)確定了可展式搶修梁的結(jié)構(gòu)形式、桿件截面尺寸、構(gòu)件類型等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)并提出了模塊化拼組,一體化架設(shè)的技術(shù)方案。通過不同數(shù)量構(gòu)架的拼組并調(diào)整構(gòu)架的展開狀態(tài),可使搶修梁適應(yīng)不同跨度、不同梁高的橋梁搶修。

(2)搶修梁跨中上弦桿、梁端右傾斜腹桿和梁端部銷軸對(duì)搶修梁的安全性起控制作用。在可展搶修梁的設(shè)計(jì)中,應(yīng)格外重視銷軸節(jié)點(diǎn)部位的受力情況以保證荷載作用下?lián)屝蘖旱陌踩?/p>

(3)ZKH荷載組合作用下?lián)屝蘖旱氖芰η闆r最不利,ZK荷載次之,東風(fēng)4荷載最后。在新型搶修梁設(shè)計(jì)研發(fā)過程中,應(yīng)在兼顧傳統(tǒng)搶修荷載的同時(shí),亦應(yīng)考慮現(xiàn)代鐵路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)荷載,以滿足現(xiàn)代鐵路搶修的需求。

(4)車輛載重對(duì)車橋耦合響應(yīng)影響顯著。貨運(yùn)列車通過搶修梁時(shí),重車對(duì)搶修梁的響應(yīng)不利,空車對(duì)車輛的響應(yīng)不利。決定搶修梁和車輛運(yùn)行安全性的關(guān)鍵指標(biāo)均隨車速的提高呈非線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

(5)搶修梁和車輛的響應(yīng)共同決定了搶修梁的最大通車速度。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,為保證行車安全,貨運(yùn)列車能夠以最高60 km/h的車速通過搶修梁,高鐵列車能夠以最高100 km/h的車速通過搶修梁。