重載鐵路小半徑曲線跨度32 m簡支T梁設(shè)計(jì)研究

梁正中

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津　300142)

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重載鐵路小半徑曲線跨度32 m簡支T梁設(shè)計(jì)研究

梁正中

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津300142)

摘要：鐵路專用線是近幾年快速發(fā)展的鐵路建設(shè)形式之一,重載小半徑鐵路專用線更是主要的發(fā)展方向。晉中南鐵路專用線采用300 kN軸重列車活載,其單線最小曲線半徑300 m,雙線最小曲線半徑600 m,超出32 m常用跨度簡支T梁梁圖適用范圍,而采用更小跨度的簡支T梁或連續(xù)箱梁不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)鐵路小半徑重載橋梁的特點(diǎn),提出小半徑曲線下重載鐵路簡支T梁的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)研究適用于小半徑簡支T梁的偏載計(jì)算,分別提出恒載偏載和活載偏載的計(jì)算方法。目前多條專用線已經(jīng)通車運(yùn)營,實(shí)踐證明設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；T形梁；小半徑曲線；偏載計(jì)算；設(shè)計(jì)

1小半徑曲線重載鐵路的背景及目的

貨運(yùn)重載化是世界鐵路發(fā)展的重要方向之一[1]。鐵路作為陸路交通運(yùn)輸主要方式之一，在我國綜合物流系統(tǒng)發(fā)展和不斷完善過程中正越來越多地承擔(dān)起大宗散貨長距離運(yùn)輸任務(wù)。鐵路建設(shè)項(xiàng)目中，銜接干線鐵路、公路、水運(yùn)等其他運(yùn)輸方式的貨物交接點(diǎn)或運(yùn)輸目的地，亦越來越多地涉及煤炭、礦石等散貨儲運(yùn)裝工程。鐵路專用線是近幾年快速發(fā)展的鐵路建設(shè)形式之一，同時國家頒布了《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2-3]，重載小半徑鐵路專用線更是主要的發(fā)展方向，結(jié)合專用線鐵路項(xiàng)目速度目標(biāo)值低、工程造價低、工程周期短、投資收益快等自身特點(diǎn)及要求，研究適應(yīng)于小半徑重載線路的梁型有很強(qiáng)的緊迫性和必要性。

晉中南專用線依托晉中南重載鐵路，采用300 kN軸重列車，由于地形復(fù)雜，為節(jié)省投資，需要采用較小的平面曲線半徑(300～800 m)，已經(jīng)超出32 m常用跨度簡支T梁梁圖適用范圍[4]。而采用更小跨度的簡支T梁或連續(xù)箱梁不經(jīng)濟(jì)，且采用小跨度連續(xù)箱梁曲線內(nèi)側(cè)端支座易脫空、曲線梁體向曲線外側(cè)徑向產(chǎn)生整體側(cè)移等問題比較突出。本文選擇研究適用于小半徑曲線的32 m標(biāo)準(zhǔn)跨度雙線橋，對橋面布置形式、梁體結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力筋布置形式等進(jìn)行了計(jì)算分析和研究，提出小半徑曲線下重載鐵路簡支T梁的設(shè)計(jì)方案。

2研究方法及重點(diǎn)

普速鐵路簡支梁橋一般由多片預(yù)制T梁架設(shè)就位，再通過橋面板和橫隔板濕接縫現(xiàn)場澆筑連接成整體，并在橫隔板處設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力。一般單線橋由2片T梁組成，雙線橋由4片T梁組成。小半徑曲線線路條件下，線路中線與梁中線的偏移、離心力的作用和超高的設(shè)置將使每片梁發(fā)生偏載[5，7]。梁各截面的彎矩和剪力及扭矩亦將較直線梁增大，此時每片梁不僅產(chǎn)生平面彎曲還伴隨著扭轉(zhuǎn)，但由于多片式T梁均采用橫隔板聯(lián)接使其成為整體，為安全及簡化計(jì)算，將扭矩的影響轉(zhuǎn)化為平面彎曲考慮，僅將其彎矩和剪力予以增大。

晉中南鐵路專用線單、雙線簡支T梁，單線半徑300～600 m(不含)，雙線半徑600～800 m(不含)。

列車活載:采用重載，如圖1所示。

圖1　重載列車活載圖示(單位：m)

采用空間有限元軟件Midas和桿系有限元軟件BSAS分別建模計(jì)算；BSAS平面模型采用梁單元模擬，共采用42個梁單元，43個節(jié)點(diǎn)，支點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)共節(jié)點(diǎn)；空間模型中主梁和橫隔板均采用梁單元模擬，支座采用剛性連接單元模型。模型共采用531個梁單元，610個節(jié)點(diǎn)，中間濕接縫中心采用鉸接處理：只傳遞剪力不傳遞彎矩。重點(diǎn)研究偏載對梁體受力及變形影響，Midas空間模型可按兩類曲線布置形式進(jìn)行計(jì)算：(1)曲線內(nèi)側(cè)線路為計(jì)算線，按平分中矢布置，曲線外側(cè)線路隨線間距變化而相應(yīng)布置，簡稱內(nèi)平分中矢；(2)曲線外側(cè)線路為計(jì)算線，按平分中矢布置，曲線內(nèi)側(cè)線路隨線間距變化而相應(yīng)布置，簡稱外平分中矢。并與公路“剛接板法”[6，9]進(jìn)行對比分析，得出適用于鐵路小半徑梁的偏載計(jì)算方法。限于篇幅，重點(diǎn)分析中梁的受力及變形情況。Midas空間模型如圖2所示。

圖2　Midas空間模型

3計(jì)算分析及結(jié)果分析

3.1　計(jì)算分析

3.1.1結(jié)構(gòu)尺寸

單線梁采用兩片邊梁，雙線梁采用兩片邊梁和兩片中梁。主梁計(jì)算跨度32 m，全長32.6 m，梁高2.6 m，軌底至梁底建筑高度為3.3 m。預(yù)制邊梁頂寬為2.3 m，雙線中梁頂寬1.7 m，下緣寬均為0.88 m。橋面板上設(shè)計(jì)2%的橫向排水坡。雙線T梁橫向布置見圖3。

圖3　雙線T梁橫向布置(單位：mm)

3.1.2分析重點(diǎn)

(1)恒載偏載

根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10082—2005)中曲線外軌最大超高不應(yīng)大于150 mm，并考慮內(nèi)、外平分中矢兩種曲線布置形式及線間距數(shù)值(圖4、圖5)，分別計(jì)算現(xiàn)澆橫隔板、現(xiàn)澆橋面板、人行道支架及步板、軌枕及扣件、電纜槽及電纜、道砟、聲屏障、擋砟塊、防水層等二期恒載[8]。

圖4　內(nèi)平分中矢橋面布置(單位：mm)

圖5　外平分中矢橋面布置(單位：mm)

Midas空間模型是將各個分項(xiàng)的二期恒載分別施加到各個空間T梁上，其荷載分配按照其橫向剛度大小自由分配；BSAS單梁模型是將表1中的主梁分配的二期恒載施加到單梁模型上。

表1　內(nèi)、外平分中矢下各片梁承擔(dān)二期恒載　kN/m

Midas空間模型和BSAS單梁模型恒載(自重+二期恒載+收縮徐變)受力對比分析詳見表2。

表2　Midas和BSAS恒載對比分析

從計(jì)算結(jié)果可以看出，空間模型恒載偏載系數(shù)最大1.006，單梁模型恒載偏載系數(shù)1.143。針對小半徑曲線梁的特殊性，推薦采用單梁模型計(jì)算。

(2)活載偏載

本文采用剛接板法[6]、Midas空間模型對中梁活載橫向分布系數(shù)[10]分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　橫向分布系數(shù)對照

結(jié)果顯示，采用剛接板法計(jì)算時，因無法考慮離心力、橫向搖擺力的影響，橫向分布系數(shù)較Midas計(jì)算結(jié)果小，計(jì)算偏于不利。故采用Midas空間模型作為單梁計(jì)算的計(jì)算依據(jù)，偏載系數(shù)取1.12。

3.2　結(jié)果分析

3.2.1受力結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，截面應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果詳見表4，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表4　截面應(yīng)力驗(yàn)算

3.2.2變形結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，重載作用下最大豎向撓度為21.79 mm，小于L/1 000=32.0 mm，滿足規(guī)范要求，詳見表5；在列車搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度作用下，梁體水平撓度為1.46 mm，小于梁體計(jì)算跨度的1/4 000=9.88 mm，滿足規(guī)范要求[11，12]。

表5　豎向靜活載位移驗(yàn)算

3.2.3橫向自振頻率結(jié)果分析

橫向自振頻率按雙線全橋空間模型(4.0 m線間距)的自振頻率給出，其自振模態(tài)如圖6所示。梁體橫向自振頻率為8.32 Hz，大于55/L0.8=3.44 Hz，滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)相關(guān)要求。雙線T梁橫向自振模態(tài)見圖6。

圖6　雙線T梁橫向自振模態(tài)

4T梁架設(shè)設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐

圖7　單線橋梁彎道布置(單位：cm)

簡支T梁采用分片預(yù)制、分片架設(shè)的方法，設(shè)計(jì)中對TJ165、DJ180等型號架橋機(jī)工況進(jìn)行檢算，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。簡支梁曲線布置按平分中矢布置，為滿足線路中心到道砟槽內(nèi)側(cè)距離不小于2.2 m的規(guī)范要求[2]，簡支T梁需調(diào)整梁肋中心距，支座及支承墊石位置相應(yīng)調(diào)整。如圖7所示，半徑R=300 m的單線32 m簡支T梁，偏距E=23 cm，偏角A=6°18′09″。可見，小半徑曲線橋梁偏距和偏角均非常大，故橋梁架設(shè)時，必須執(zhí)行《TJ165型架橋機(jī)使用說明書》、《DJ180型架橋機(jī)使用說明書》的要求并嚴(yán)格執(zhí)行《鐵路架橋機(jī)架梁暫行規(guī)程》和《架橋機(jī)安全操作規(guī)程》等相關(guān)規(guī)定。目前多條重載鐵路專用線在施工中采用TJ165和DJ180架橋機(jī)均實(shí)現(xiàn)了小半徑T梁的架設(shè)。

5結(jié)論

根據(jù)鐵路小半徑曲線重載橋梁的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了適用于小半徑簡支T梁的偏載計(jì)算方法。并以雙線梁為例分別采用空間有限元軟件Midas和桿系有限元軟件BSAS對恒載偏載進(jìn)行分析計(jì)算，推薦采用BSAS單梁模型計(jì)算恒載；分別采用剛接板法和Midas空間模型對活載橫向分布系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，推薦采用Midas空間模型計(jì)算活載。結(jié)構(gòu)受力、變形等均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。晉中南重載鐵路專用線采用單線最小半徑R=300 m簡支T梁，雙線最小半徑R=600 m簡支T梁，目前多條專用線已經(jīng)通車運(yùn)營，實(shí)踐證明設(shè)計(jì)方案是合理可行的。

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Design of Simply Supported T-beams with Small Radius Curve for Heavy-haul Railway LIANG Zheng-zhong

(Bridge Engineering Design Department, The Third Railway Survey and Design Institute

Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：The industrial siding railway is one kind of railway construction and developed rapidly recently, and the heavy-haul railway with small radius of curve tends to dominate. The industrial siding railway connected with Shanxi-Henan-Shandong Railway adopts 300 kN axle loading, in which the minimum curve radius of single line and double line is 300m and 600m respectively. The radiuses of curve adopted in the industrial siding railway mentioned above are out of the range of 32 m T-beam of general reference drawing, and the cost is much higher if smaller span simply supported T-beam or continuous box girder is adopted in design. The design scheme of heavy haul railway simply supported T-beam is put forward according to the characteristics of small radius of curve of heavy haul railway. Study is focused on the bias load analysis and calculation of heavy haul railway simply supported T-beam to find out applicable methods for bias dead load and bias live load calculation respectively. The normal operation of several industrial siding railways proves that the design scheme is reasonable and feasible.

Key words：Heavy haul railway; T-beam; Small radius of curve; Bias load calculation; Design

中圖分類號：U239.1； U448.21+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.018

文章編號：1004-2954(2016)02-0085-04

作者簡介：梁正中(1984—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，工學(xué)學(xué)士。

收稿日期：2015-06-29； 修回日期：2015-07-14