鐵路框架橋縱橫梁線路加固體系模型優(yōu)化與結(jié)果評價標準研究

彭 斌,高玉蘭

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

鐵路框架橋縱橫梁線路加固體系模型優(yōu)化與結(jié)果評價標準研究

彭 斌,高玉蘭

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

對靜力計算的模型進行了優(yōu)化,建立加入鋼軌、縱梁及扣軌梁等縱向構(gòu)件的三維模型,考慮了支撐加固體系的框構(gòu)橋及開挖土體的影響;設(shè)置變化不同參數(shù)的多個工況,將優(yōu)化模型與簡化模型在各工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進行比較與分析;綜合考察相關(guān)規(guī)范及規(guī)定,從而建立評價縱橫梁線路加固體系靜力計算結(jié)果的標準。基于模擬計算的結(jié)果,分析了各工況下橫梁的撓度和應(yīng)力以及鋼軌的撓度,并利用建立的評價標準進行評價。研究表明,優(yōu)化模型能夠較精確地模擬現(xiàn)場工況,使計算結(jié)果更加貼近真實值;利用建議的線路加固體系評價標準對計算結(jié)果進行評價,得到的結(jié)論將更加偏于安全。

框架橋;縱橫梁線路加固體系;靜力計算;評價標準;數(shù)值模擬

1 概述

在我國,隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展和鐵路運輸需求的持續(xù)增加,鐵路行業(yè)發(fā)展迅速,然而時至今日,大部分鐵路干線仍處于運力緊張的狀態(tài),這種形勢下,在既有線上進行框架橋頂進施工,則對繁忙的線路形成較大壓力。2005年,原鐵道部出臺的《鐵路營業(yè)線施工及安全管理辦法》中規(guī)定“橋涵頂進施工慢行限制速度不應(yīng)低于45 km/h”。基于上述國情,國內(nèi)關(guān)于框構(gòu)橋頂進施工過程中的線路加固體系有較多工程案例[1-4],結(jié)合工程總結(jié)出一些施工經(jīng)驗與計算理論[5-8]。本文對靜力計算的模型進行了優(yōu)化,建立加入鋼軌、縱梁及扣軌梁等縱向構(gòu)件的三維模型,將加固體系下的框構(gòu)橋及待挖土體納入模型中;設(shè)置變化不同參數(shù)的多個工況,將優(yōu)化模型與簡化模型在各工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進行比較與分析;綜合考察國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范及規(guī)定,建立評價縱橫梁線路加固體系靜力計算結(jié)果的標準。

2 當(dāng)前線路加固體系靜力計算的缺陷

當(dāng)前,線路加固體系的相關(guān)規(guī)定在我國規(guī)范中涉及較少,設(shè)計的主要依據(jù)是相關(guān)工程的經(jīng)驗或習(xí)慣做法,一些工程項目做過針對簡化模型的分析,但普遍存在以下缺陷:

(1)將列車荷載換算為均布荷載后直接施加于橫梁上,不考慮鋼軌、縱梁和扣軌的影響。以“中-活載”為例,研究機車中間輪軌位置處的橫梁,縱向構(gòu)件有利于抑制該橫梁的變形,但同時也將機車外側(cè)輪軌的荷載傳遞至該橫梁上,因此簡化模型的設(shè)置并非偏安全。

(2)未考慮支座沉降。現(xiàn)有關(guān)于線路加固體系的計算文獻中,普遍將橫梁等效為簡支梁模型并認為偏安全,然而實際情況中,橫梁變形以mm計,其支撐端(土和頂橋)的變形不可忽略。因此,加固體系中橫梁的變形應(yīng)將支座沉降納入考慮,包括支撐橫梁的土體和混凝土頂橋的變形。

(3)對于計算結(jié)果的評價標準不統(tǒng)一。當(dāng)前關(guān)于線路加固體系計算的文獻中,對于計算結(jié)果的評價采用了各自不同的標準,標準的出處主要來自于鐵路軌道、鐵路橋梁以及建筑結(jié)構(gòu)方面的規(guī)范。

綜上所述,對計算模型進行改進或優(yōu)化,同時提出線路加固體系的安全評價標準,從而建立較完善的設(shè)計理論并能夠為工程建設(shè)提供依據(jù),具有現(xiàn)實意義。

3 模擬分析

本文設(shè)置了不同參數(shù)的多個工況,進行了基于有限元軟件ABAQUS的數(shù)值模擬分析,模型中對現(xiàn)有簡化模型存在的缺陷進行了針對性的改進,并將計算結(jié)果與對應(yīng)的簡化模型計算結(jié)果進行了比較與分析。

3.1 工況設(shè)計及荷載計算

設(shè)計了不同參數(shù)的7個工況,變化的參數(shù)包括橫梁規(guī)格、橫梁懸空長度及列車行車速度,其中,橫梁采用I50b、I56b、I63b三種型號的熱軋輕型型鋼;橫梁的懸空長度為4、5、6、7 m;車速包含45、50、55、60 km/h。針對各工況,采用ABAQUS軟件建立三維模型并模擬分析,模型中包含鋼軌、橫梁、縱梁、扣軌以及支撐加固體系的待挖土體及框構(gòu)橋;假設(shè)鋼軌位于懸空部分的橫梁跨中,將“中-活載”中的機車荷載施加于鋼軌上,使機車的中間輪位于研究橫梁的上方;模型的其他參數(shù)如下:鋼軌單位質(zhì)量50 kg/m,縱梁為I45b型鋼, 3根1束,扣軌形式為3-5-3,橫梁為I63b型鋼,平均間距取0.9 m。各工況及其變化的參數(shù)見表1。

偏安全考慮,列車軸重取250 kN,并分別乘以動力系數(shù)、折減系數(shù)和不均勻系數(shù)以描述列車荷載的動力增值,動力系數(shù)和折減系數(shù)根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的相關(guān)公式計算,不均勻系數(shù)取1.3。各工況下,單側(cè)車輪施加的荷載見表1。

表1 計算工況

3.2 模型參數(shù)選取

為準確地反映模型的各項指標,同時避免模型過于復(fù)雜以保證計算收斂,采用下述辦法確定橫梁的數(shù)量:建立包含多根橫梁、鋼軌及縱梁的模型,在鋼軌上施加荷載,位置在所研究橫梁的上方,對所研究橫梁及相鄰橫梁的跨中撓度進行考察,從而判定縱向構(gòu)件傳遞荷載的能力。鑒于縱梁的抗扭剛度橫梁彎曲有所抑制,模型中假定縱梁的扭轉(zhuǎn)慣量為1。表2中列出了各橫梁的撓度比值。

表2 橫梁撓度比值

由表2可見,縱向構(gòu)件的存在對于分攤列車荷載、協(xié)調(diào)橫梁變形有一定作用,但在該作用下,距所研究橫梁2.7 m遠的橫梁撓度大小僅相當(dāng)于所研究橫梁撓度的1.2%左右,因此模型中僅考慮少數(shù)橫梁是安全的,本研究模型中取縱梁方向9 m長度內(nèi)的11根橫梁。

為考慮加固體系支座的影響,在橫梁的框構(gòu)橋一側(cè)建立對應(yīng)模型;本構(gòu)關(guān)系采用不考慮強化作用的二段式理想彈塑性模型;鑒于橫梁支撐在框構(gòu)橋上的小滑車上,且橫梁與小滑車之間沒有綁定,模型中的框構(gòu)橋和橫梁之間設(shè)置能夠傳遞壓力、不能傳遞拉力的接觸關(guān)系;加固體系在開挖土體一側(cè)建立對應(yīng)模型,因為橫梁被埋在土中且在加固體系外有防護樁上方的冠梁支撐,在土體和橫梁間設(shè)置綁定;考慮到施工現(xiàn)場路基土為改良土或A、B組填料的情況較為廣泛,因此采用《客運專線無砟軌道鐵路設(shè)計指南》中關(guān)于改良土或A、B組填料的參數(shù)建立彈性本構(gòu)關(guān)系。計算模型見圖1。

3.3 靜力計算評價標準

現(xiàn)有關(guān)于縱橫梁加固體系的靜力計算文獻中,普遍采用了橫梁的材料應(yīng)力、撓度值兩種指標評價計算結(jié)果,但評價的標準并不統(tǒng)一。考慮到縱橫梁加固體系的結(jié)構(gòu)形式兼?zhèn)滂F路軌道和鐵路橋梁的特點,應(yīng)該引入兩種領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)規(guī)范規(guī)定,此外,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對相關(guān)內(nèi)容作出了規(guī)定,也應(yīng)納入綜合比較分析的范圍。

圖1 計算模型

本文通過對6本規(guī)范相關(guān)內(nèi)容的比對與分析,認為對縱橫梁加固體系構(gòu)成約束的指標包括3項:橫梁撓度、鋼軌撓度和工字鋼應(yīng)力。為得到偏安全的結(jié)論,采用最小值作為各指標建議的安全評價標準。各項指標及標準見表3。3.4 計算結(jié)果與分析

表3 安全評價指標與標準

各工況的計算結(jié)果見表4;模型的應(yīng)力云圖見圖2(工況3)。

結(jié)合表4計算結(jié)果和表3得出的評價標準可得,本文設(shè)置的各工況中,橫梁的最大撓度、鋼軌撓度以及橫梁應(yīng)力均小于安全限值,能夠滿足設(shè)計要求。

表4 計算結(jié)果

圖2 加固體系應(yīng)力云圖(放大倍數(shù):80)

優(yōu)化模型中加入了加固體系的縱向構(gòu)件,并引入了支撐加固體系橫梁的框構(gòu)橋與開挖土體,為了討論該設(shè)置所起的作用,針對上述各工況建立簡化計算模型,即橫梁為簡支梁,荷載直接作用于橫梁上,荷載為輪重在多根橫梁上的平均作用力。簡化模型中荷載的數(shù)值為

N′=N(考慮動力作用下單側(cè)車輪施加的荷載)÷ 1.5 m(輪距)×0.9 m(橫梁間距)

簡化模型見圖3,模型的應(yīng)力云圖見圖4(工況4),計算結(jié)果見表5。

圖3 簡化模型示意

圖4 簡化模型應(yīng)力云圖(放大倍數(shù):80)

表5 簡化模型與優(yōu)化模型計算結(jié)果比較

由表5可知,采用優(yōu)化模型計算的橫梁應(yīng)力及撓度顯著大于采用簡化模型計算的結(jié)果,具體為,橫梁應(yīng)力平均增加93.14%,橫梁撓度平均增加89.29%,說明實際情況中,縱向構(gòu)件的設(shè)置及支撐加固體系的結(jié)構(gòu)和土體變形對于加固體系的變形有較大影響,將該因素融入計算模型,所得計算結(jié)果顯然更加偏于安全。

4 結(jié)論

本文對縱橫梁線路加固體系的靜力計算模型進行了優(yōu)化,對多個變化不同參數(shù)的工況進行了基于優(yōu)化模型和簡化模型的數(shù)值模擬,提出了針對縱橫梁線路加固體系靜力計算的安全評價建議標準,得出了以下結(jié)論:

(1)與線路加固體系的靜力計算簡化模型相比,優(yōu)化后的模型能夠較精確地模擬現(xiàn)場工況,相應(yīng)地,計算結(jié)果得以更加貼近真實值;

(2)利用建議的線路加固體系評價標準對計算結(jié)果進行評價,得到的結(jié)論將更加偏于安全。

5 展望

(1)現(xiàn)有關(guān)于縱橫梁線路加固體系變形的計算建立在縱橫梁連接可靠的前提下,然而來自于施工單位的經(jīng)驗表明,加固體系的失效通常是因為連接件的松動或破壞引起的縱橫梁移動或扭轉(zhuǎn)。為了保證計算結(jié)果的可靠性,對連接件的構(gòu)造措施進行完善或優(yōu)化,從而確保加固體系構(gòu)件的正常工作,已成為工程中亟待解決的問題。

(2)現(xiàn)有關(guān)于縱橫梁線路加固體系變形計算的文獻中,一致將懸空部分的加固體系按照鐵路橋梁模型考慮,其主要原因在于懸空部分的線路加固體系從結(jié)構(gòu)形式上與鐵路橋梁結(jié)構(gòu)相似,然而,鐵路橋梁的設(shè)計中考慮了列車動荷載引起橋梁結(jié)構(gòu)振動的問題,并引入動力計算用以反映[9-12],而動力計算的內(nèi)容在當(dāng)前關(guān)于線路加固體系的研究中仍屬空白,因此,引入基于車-橋耦合動力分析的理論,已成為線路加固體系設(shè)計的新思路。

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Model Optimization and Evaluation Standard of Railway Track Strengthening System with Longitudinal-Transverse Beams during Construction of Frame Bridge

PENG Bin,GAO Yu-lan
(China Railway Engineering Consultancy Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)

In this paper,the static calculation model of railway track strengthening system was optimized, and a three-dimensional model with longitudinal members was built involving rail,longitudinal beam, track-fastening beam,and so on;and also the influences of frame bridge and soil excavation on the strengthening system were taken into consideration.Then,by giving multiple working conditions withdifferent parameters,a comparative analysis of numerical simulation results between the optimized model and the simplified model was carried out under each working condition.Then,comprehensively considering relevant standard codes and specifications,an evaluation standard of static calculation result of railway track strengthening system with longitudinal-transverse beams was established.Furthermore, based on simulation calculation results,the transverse beam's deflection and stresses as well as the rail's deflection were analyzed under each working condition,and the results were evaluated by using the suggested evaluation standard.The research results show that the optimized model can more accurately simulate the field working conditions,making the calculation result more reliable;and if evaluating calculation results by using the suggested evaluation standard,the evaluation conclusion will be on the safe side.

frame bridge;railway track strengthening system with longitudinal-transverse beams;static calculation;evaluation standard;numerical simulation

U445.7+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.018

1004-2954(2014)08-0077-04

2013-12-04

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB036203);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20130009110036)

彭 斌(1982—),男,工程師。