鐵路線路上跨天橋防護屏風荷載有限元分析

（中國鐵路北京局集團有限公司，天津 300143）

1 概述

1.1 研究背景及意義

我國高鐵事業飛速發展，鐵路運輸成為維系國民經濟運行、促進區域間經濟文化交流的重要保障和有效途徑。為適應鐵路運輸需求的變化，鐵路既有線路開始逐步對設備進行升級改造，部分二等、三等站在建設時，未設置旅客進出站地下通道，旅客進出站需要橫越線路。隨著鐵路逐步提速運行，安全隱患愈發突出，在近幾年的改造中多通過架設人行天橋的方式解決相關問題。

依據相關標準，在人行天橋兩側設置防護屏，防護屏作為建筑附屬物，在設計和施工過程中易被忽略。防護屏在風力的作用下使部分構件發生變形，自攻螺釘逐漸松動脫落。由于人行天橋處于鐵路線路的上方，掉落的零件會擊打列車，造成設備損壞，影響鐵路運輸安全。

本文運用有限元法，對鐵路線路上跨天橋防護屏等附屬物進行極限風力作用下的受力分析，探究應力較大部位螺栓的受力狀態，以明確防護屏在后期維護管理的重點部位，避免因防護屏病害導致的鐵路安全事故。

1.2 研究對象

1.2.1 項目簡介

研究對象為天津市某縣某站上跨鐵路人行天橋，位于天津市某縣某火車站內，海拔17 m。跨越既有鐵路Ⅰ、Ⅱ道。

天橋與鐵路線路正交，本橋平面分別位于直線上，鐵路線上方設置防護屏。

橋面橫坡為雙向1.5%，橋寬8 m，縱坡1.921%。

按照《鐵路工程設計防火規范》（TB 10063—2016）的要求，在鐵路上部的鋼板梁翼緣外側設置防護屏。防護屏高度≥2.5 m，進行接地處理，防護屏長度為19 600 mm，高度為2 500 mm。

防護屏主體結構豎立柱采用80方鋼（L=2 530 mm），共36根；橫立柱采用140根60方鋼（L=1 420 mm）、10根60方鋼（L=920 mm）組成。

填充板材采用實心陽光板共122 m2。

配件為自攻螺栓（帶螺母）（M6×25）、專用鋁合金壓條（80 mm×40 mm×19 600 mm）、橡膠減震塊（80 mm×6 mm×80 mm）。

1.2.2 現狀

天橋竣工后，受當地頻繁的大風天氣影響，天橋防護屏的部分鋁合金壓條出現了端部翹起變形，部分自攻螺栓出現不同程度的松動，少數螺栓脫落。后期維護中采用鉆孔安放螺栓進行緊固，但螺栓松動脫落現象仍舊出現，該方法并不理想。研究風荷載作用下防護屏各部位變形規律較為必要，有助于指導后期維護保養工作，為工作人員提供參考依據。

2 風荷載標準值計算

根據《建筑結構荷載設計規范》（GB 50009—2012）的相關要求，確定垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，計算圍護結構：

式中：wo——基本風壓，取0.5；βgz——高度z處的陣風系數，取1.7；μsl——風荷載局部體型系數，取1.3；μz——風壓高度變化系數，取1.0。

3 建立有限元模型

3.1 模型建立過程

通過現場的實際測量和既有設計施工資料，建立合理的有限元分析模型，保證研究其風荷載作用下性能結果的準確性。模型的有效建立需要在軟件中建立完善的基礎模型，建立恰當的邊界條件，選擇合理的加載方式。本文建立了防護屏的全尺寸模型，并進行第一次風荷載分析，選取第一次分析結果中較大的若干片單元進行模擬，以明確重點部位和重點部位的受力、變形狀態。

3.2 材料參數選取

參考國家相關標準可知，各級別的鋼材具有的彈性模量相差較小，在本次模擬中統一規定為206 GPa，鋼材泊松比0.3，屈服后的切線模量為E/50。

鋼材的屈服強度為期極限強度的0.5～0.7倍，本文取0.5；鋁合金彈性模量69 GPa，鋁合金泊松比0.33。

在本次模擬中，采用圓柱體簡化模型對六角法蘭面自攻螺栓進行分析，參考《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》（GB/T 3098.1—2010）和《六角法蘭面螺栓小系列》（GB/T 16674.1—2004）的規定，自攻螺栓采用合金鋼材質，彈性模量及泊松比分別為206 GPa、0.3。

3.3 整體建模

3.3.1 接觸及邊界條件

ANSYS 19.0軟件中可模擬接觸的類型有綁定接觸、不分離接觸、無摩擦接觸、粗糙接觸、有摩擦接觸。

接觸類型的選擇較為重要，在非線性有限元分析中，接觸是一種狀態非線性行為，會對分析結果產生影響。在防護屏系統中涉及的主要接觸是螺栓與鋁合金板的接觸、鋁合金板與陽光板與鋼型材的接觸。

由相關文獻的分析結果可知，本次分析中，將螺栓與鋁合金板的接觸類型設定為綁定接觸，鋁合金板與陽光板設定為摩擦接觸，可取得較快的分析速度，且不會有過大的誤差。

3.3.2 加載方式

防護屏本身的受力主要是風荷載，根據相關文獻中不同的模擬情況對比結果，可采用施加均布荷載，模擬其受到的風荷載作用。

4 有限元結果分析

4.1 整體應力分析

總等效應力如圖1所示。

圖1 總等效應力云圖

由圖1可知，在風荷載作用下，模型最大等效應力值約為0.6 MPa，模型主體應力約為0.2 MPa，應力主要集中在陽光板和鋁合金壓條端部位置。

4.2 單元應力分析

為較好地觀察結構受力情況，為后期的檢修工作提供參考，在模擬過程中選取兩片防護屏基礎結構作為一個單元，進而提取計算結果。

單位應力如圖2所示。

圖2 單元應力圖

由圖2可知，在風荷載作用下，鋁合金壓條的最大等效應力值約為0.2 MPa，應力較大位置集中在防護屏橫向鋁合金壓條的中部及端部，與實際情況中的破壞松動發生位置基本相符。

端部自攻螺栓周圍的鋁合金壓條受力不均勻，導致引發的變形不均勻，在風荷載的往復作用下加劇自攻螺栓的風致疲勞。

鋁合金壓條端應力如圖3所示。

圖3 鋁合金壓條端部應力云圖

5 結語

通過對防護屏鋼架、陽光板、鋁合金壓條、自攻螺栓進行有限元模擬分析，得到風荷載作用下的極限應力數值及分布情況，并將其與實際作用情況進行對比。風荷載作用導致的風致疲勞是出現螺栓松動、鋁合金壓條不規則變形的主要原因。可根據受力云圖和病害統計資料，安排對鋁合金壓條端部自攻螺栓的檢查，建議增大自攻螺栓扭矩，避免此類病害現象發生的，確保設備安全。