彭 斌,高玉蘭

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

彭 斌,高玉蘭

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

對(duì)靜力計(jì)算的模型進(jìn)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(gè)工況,將優(yōu)化模型與簡(jiǎn)化模型在各工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(píng)價(jià)縱橫梁線路加固體系靜力計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)?；谀M計(jì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究表明,優(yōu)化模型能夠較精確地模擬現(xiàn)場(chǎng)工況,使計(jì)算結(jié)果更加貼近真實(shí)值;利用建議的線路加固體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),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(jì)算;評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);數(shù)值模擬

1 概述

在我國(guó),隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和鐵路運(yùn)輸需求的持續(xù)增加,鐵路行業(yè)發(fā)展迅速,然而時(shí)至今日,大部分鐵路干線仍處于運(yùn)力緊張的狀態(tài),這種形勢(shì)下,在既有線上進(jìn)行框架橋頂進(jìn)施工,則對(duì)繁忙的線路形成較大壓力。2005年,原鐵道部出臺(tái)的《鐵路營(yíng)業(yè)線施工及安全管理辦法》中規(guī)定“橋涵頂進(jìn)施工慢行限制速度不應(yīng)低于45 km/h”?；谏鲜鰢?guó)情,國(guó)內(nèi)關(guān)于框構(gòu)橋頂進(jìn)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(yàn)與計(jì)算理論[5-8]。本文對(duì)靜力計(jì)算的模型進(jìn)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(gè)工況,將優(yōu)化模型與簡(jiǎn)化模型在各工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較與分析;綜合考察國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范及規(guī)定,建立評(píng)價(jià)縱橫梁線路加固體系靜力計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。

2 當(dāng)前線路加固體系靜力計(jì)算的缺陷

當(dāng)前,線路加固體系的相關(guān)規(guī)定在我國(guó)規(guī)范中涉及較少,設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)或習(xí)慣做法,一些工程項(xiàng)目做過針對(duì)簡(jiǎn)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(jī)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(shí)也將機(jī)車外側(cè)輪軌的荷載傳遞至該橫梁上,因此簡(jiǎn)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(jì)算文獻(xiàn)中,普遍將橫梁等效為簡(jiǎn)支梁模型并認(rèn)為偏安全,然而實(shí)際情況中,橫梁變形以mm計(jì),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(duì)于計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。當(dāng)前關(guān)于線路加固體系計(jì)算的文獻(xiàn)中,對(duì)于計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)采用了各自不同的標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)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(duì)計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化,同時(shí)提出線路加固體系的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),從而建立較完善的設(shè)計(jì)理論并能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)提供依據(jù),具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 模擬分析

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

3.1 工況設(shè)計(jì)及荷載計(jì)算

設(shè)計(jì)了不同參數(shù)的7個(gè)工況,變化的參數(shù)包括橫梁規(guī)格、橫梁懸空長(zhǎng)度及列車行車速度,其中,橫梁采用I50b、I56b、I63b三種型號(hào)的熱軋輕型型鋼;橫梁的懸空長(zhǎng)度為4、5、6、7 m;車速包含45、50、55、60 km/h。針對(duì)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(jī)車荷載施加于鋼軌上,使機(jī)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(dòng)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(dòng)力增值,動(dòng)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(jì)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(jì)算工況

3.2 模型參數(shù)選取

為準(zhǔn)確地反映模型的各項(xiàng)指標(biāo),同時(shí)避免模型過于復(fù)雜以保證計(jì)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(duì)所研究橫梁及相鄰橫梁的跨中撓度進(jìn)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(duì)于分?jǐn)偭熊嚭奢d、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(yuǎn)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)模型;本構(gòu)關(guān)系采用不考慮強(qiáng)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(duì)應(yīng)模型,因?yàn)闄M梁被埋在土中且在加固體系外有防護(hù)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(chǎng)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(yùn)專線無砟軌道鐵路設(shè)計(jì)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(jì)算模型見圖1。

3.3 靜力計(jì)算評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有關(guān)于縱橫梁加固體系的靜力計(jì)算文獻(xiàn)中,普遍采用了橫梁的材料應(yīng)力、撓度值兩種指標(biāo)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果,但評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn),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(jì)規(guī)范》中對(duì)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(jì)算模型

本文通過對(duì)6本規(guī)范相關(guān)內(nèi)容的比對(duì)與分析,認(rèn)為對(duì)縱橫梁加固體系構(gòu)成約束的指標(biāo)包括3項(xiàng):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(biāo)建議的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。各項(xiàng)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)見表3。3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

表3 安全評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

各工況的計(jì)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(jì)算結(jié)果和表3得出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)要求。

表4 計(jì)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(duì)上述各工況建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型,即橫梁為簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型中荷載的數(shù)值為

N′=N(考慮動(dòng)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(jiǎn)化模型見圖3,模型的應(yīng)力云圖見圖4(工況4),計(jì)算結(jié)果見表5。

圖3 簡(jiǎn)化模型示意

圖4 簡(jiǎn)化模型應(yīng)力云圖(放大倍數(shù):80)

表5 簡(jiǎn)化模型與優(yōu)化模型計(jì)算結(jié)果比較

由表5可知,采用優(yōu)化模型計(jì)算的橫梁應(yīng)力及撓度顯著大于采用簡(jiǎn)化模型計(jì)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(shí)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(duì)于加固體系的變形有較大影響,將該因素融入計(jì)算模型,所得計(jì)算結(jié)果顯然更加偏于安全。

4 結(jié)論

本文對(duì)縱橫梁線路加固體系的靜力計(jì)算模型進(jìn)行了優(yōu)化,對(duì)多個(gè)變化不同參數(shù)的工況進(jìn)行了基于優(yōu)化模型和簡(jiǎn)化模型的數(shù)值模擬,提出了針對(duì)縱橫梁線路加固體系靜力計(jì)算的安全評(píng)價(jià)建議標(biāo)準(zhǔn),得出了以下結(jié)論:

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

(2)利用建議的線路加固體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),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(jì)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(yàn)表明,加固體系的失效通常是因?yàn)檫B接件的松動(dòng)或破壞引起的縱橫梁移動(dòng)或扭轉(zhuǎn)。為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,對(duì)連接件的構(gòu)造措施進(jìn)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(jì)算的文獻(xiàn)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(jì)中考慮了列車動(dòng)荷載引起橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的問題,并引入動(dòng)力計(jì)算用以反映[9-12],而動(dòng)力計(jì)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(dòng)力分析的理論,已成為線路加固體系設(shè)計(jì)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB036203);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20130009110036)

彭 斌(1982—),男,工程師。