采用梁格法對異形道岔梁支座布置的優(yōu)化設計

邢繼勝

(鐵道第三設計院集團有限公司,天津 300142)

采用梁格法對異形道岔梁支座布置的優(yōu)化設計

邢繼勝

(鐵道第三設計院集團有限公司,天津 300142)

采用梁格法對天津至保定客運專線子牙河特大橋異形道岔梁的支座布置進行研究,發(fā)現(xiàn)單梁模型及通常的連續(xù)梁支座橫向布置模式不能適用于該異形道岔梁,需要采用三維分析方法(如梁格法)才能得到較準確的各支座反力情況并據(jù)此對支座布置進行優(yōu)化的結論。并且對于異形連續(xù)梁,在截面突變的位置需要注意支座方向的選擇,以避免溫度作用下產生過大的水平力。

異形道岔梁;梁格法;支座布置

1 概述

新建天津至保定客運專線子牙河特大橋在DK144+322.83～DK144+728.12范圍內因道岔布置要求,采用(30.226+11×31.176+30.226)m預應力混凝土連續(xù)道岔梁(以下簡稱13-30 m道岔梁)結構。因軌道道岔結構的特殊布置,道岔梁平面布置為異形結構,梁上布置津保正線2條,兩側為京津北聯(lián)絡線兩條以及高速聯(lián)絡線2條,安全線1條。道岔梁結構主要設計參數(shù)如下。

1.1 主要結構尺寸

梁全長404.988 m。梁體為單箱多室等高、頂?shù)装遄儗挕蛎孀儗挼闹备拱逑淞航Y構,梁高3.0 m,箱梁頂板寬為27.653～31.913～23.2 m變化布置,一般懸臂寬1.9 m,橋面設置轉轍機的位置懸臂局部加寬1 m。主梁主要結構如圖1所示。

圖1 主梁結構平面(單位:cm)

1.2 線路及軌道

(1)鐵路等級:正線為津保鐵路,兩側為京津北聯(lián)絡線上下行及高速聯(lián)絡線上下行,等級均為Ⅰ級。

(2)線間距:兩正線線間距4.6 m,聯(lián)絡線與正線線間距5.0 m;

(3)線路平縱斷面:正線位于直線及平坡道上;

(4)列車設計行車速度:正線最高設計速度250 km/h,聯(lián)絡線最高設計速度160 km/h;

(5)地震烈度:七度震區(qū)(0.15g)。

1.3 設計荷載

(1)主梁容重按26.0 kN/m計算。二期恒載:軌下枕底道砟厚度35 cm,鋼軌、扣件、墊板、枕木、道砟、防水層、保護層、電纜槽、蓋板、擋砟墻、人行道欄桿、接觸網(wǎng)支架、轉轍機等重力,按370.4～518.0 kN/m漸變考慮。

(2)荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合,取最不利組合進行設計,并對特殊荷載進行檢算。

1.4 主要材料

主梁采用C55混凝土,采用HRB400鋼筋和HPB300鋼筋。

1.5 支座

采用球型鋼支座(LXQZ型)。

2 梁格法建模

該13-30 m道岔梁較普通連續(xù)梁橫向寬,且平面為異形結構,一般連續(xù)梁的橫向2支座布置方式不能滿足本道岔梁的要求,因此在常規(guī)的單梁模型分析計算的基礎上還需要結合其他方法進行支座布置研究。使用Midas Civil軟件建立梁格法模型進行支座布置分析,建模時進行如下處理。

(1)縱梁:根據(jù)縱向腹板的布置,將箱梁劃分為5～7片縱向梁格,縱梁的位置分別對應箱梁腹板中線,由于截面分割帶來縱梁形心與整體截面形心位置的偏差,需要在模型中修改各截面模量為按照整體截面形心的模量。

(2)橫梁:橫梁分為剛性梁與虛擬梁。虛擬梁采用工字形梁,頂?shù)装宸謩e取箱梁上下翼板厚度,腹板厚度取極小的值,以達到對橫向聯(lián)系梁的模擬。箱梁經(jīng)劃分成為梁格之后,截面形狀由閉口到開口,其扭轉剛度差異很大,因此需調整縱橫梁的扭轉剛度,縱梁及虛擬橫梁每單位寬度的扭轉常數(shù)可按下式計算

式中,d′,d″,h分別為頂、底板的厚度和梁高,縱向梁格的剪切面積則取腹板的橫截面積。

此外,還需在箱梁兩端翼緣處設置縱向虛擬梁格,此舉是為了準確計算自振周期和分配荷載。箱梁的縱向梁格劃分如圖2所示。

圖2 梁格法模型

3 計算結果及分析

根據(jù)腹板及橫隔板的布置,各支座初步布置如圖3所示,縱向固定支座設置在7號墩。

按此支座布置形式,采用梁格法模型計算得到各支座反力如圖4所示(圖中橫軸m-n表示m號墩與n號腹板相交處的支座)。

圖3 支座布置示意

從圖4可以看出,在主力+附加力的工況作用下。

(1)該道岔梁兩端支座的豎向反力小于中間支座的豎向反力,邊腹板支座的豎向反力小于中間腹板的支座豎向反力——此規(guī)律與一般連續(xù)梁支座反力規(guī)律相同。

(2)兩端支座的橫向反力較大,跨中支座橫向反力較小。經(jīng)查證各工況反力,在溫度荷載作用下出現(xiàn)該現(xiàn)象,與該道岔梁橫向跨度很大有關。

(3)7-5號支座縱向反力異常,已超出支座的承載范圍。經(jīng)查證各工況反力,在溫度荷載作用下出現(xiàn)該現(xiàn)象,由于該道岔梁平面為異形結構,截面突變導致出現(xiàn)此現(xiàn)象。

根據(jù)計算結果,為降低7-5號支座縱向反力,將7-5號～7-7號支座改為多向支座。優(yōu)化后計算結果如圖5所示。

圖4 支座反力(主力+附加力工況)

圖5 優(yōu)化后支座反力(主力+附加力工況)

通過對比前后計算中可以看出,將7-5號～7-7號支座改為多向支座后:

(1)各支座豎向反力與橫向反力與之前相差不大; (2)7-5號支座縱向反力異常的問題得以解決; (3)7-4號支座縱向反力增加,增加到4 900 kN,為最大縱向支座反力,可以通過支座設計抵抗。

(4)對于異形連續(xù)梁,溫度荷載作用下在截面突變的位置會出現(xiàn)支座水平反力異常,需要注意支座方向的選擇,以避免溫度作用下產生過大的水平力。

4 結論

通過以上計算分析可知,一般的單梁分析模型以及常用的連續(xù)梁支座布置模式不能適用于截面突變的異形梁的支座布置,需要采用梁格法或其他三維分析方法才能詳細得出各支座反力情況,并對支座布置進行優(yōu)化。對于異形連續(xù)梁,在截面突變的位置需要注意支座方向的選擇,以避免溫度作用下產生過大的水平力。

[1] [美]漢勃利E.C.橋梁上部構造性能[M].郭文輝,譯.北京:人民交通出版社,1982.

[2] 于維汗.太中(銀)鐵路變寬道岔連續(xù)梁構造及支座布置研究[J].鐵道標準設計,2013(1):70-73.

[3] 鄒永偉.鐵路變寬道岔連續(xù)梁設計[J].鐵道建筑技術,2013 (S1):4-6.

[4] 李長虹,王柏重.道岔應力分析及理想道岔材料[J].鐵道學報, 2000(4):103-107.

[5] 杜桃明.客運專線無縫道岔梁設計研究[J].四川建筑,2009,29 (5):74-78.

[6] 戴勝勇,陳列,袁明.武廣客運專線自家望2號大橋無砟軌道無縫道岔梁設計[J].鐵道標準設計,2009(1):34-37.

[7] 王金山.淺述梁格法在連續(xù)箱梁橋設計中的應用[J].北方交通, 2009(10):35-37.

[8] 姚峻生,許智焰,任偉.廈深鐵路韓江特大橋道岔區(qū)變寬度大跨連續(xù)梁總體設計[J].鐵道工程學報,2008(2):43-46.

[9] 王斌.京滬高速鐵路高架車站道岔區(qū)橋梁設計[J].交通科技, 2010(2):112-115.

[10]王立中,劉敬棉.高速鐵路無砟軌道無縫線路車站咽喉區(qū)道岔連續(xù)梁結構形式的研究[J].鐵道工程學報,2010(10):58-61.

Optimal Design on How to Arrange the Bearings for Girder with Specially-shaped Turnout by Using Beam Grid Method

XING Ji-sheng
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

U443.36

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.022

1004-2954(2014)08-0092-03

2014-05-15

邢繼勝(1984—),男,工程師,工學碩士。