孫 鍵

(武漢鐵路局,武漢 430063)

線路架空施工中橫穿梁的受力分析

孫 鍵

(武漢鐵路局,武漢 430063)

在營(yíng)業(yè)線上進(jìn)行線路架空作業(yè)是一項(xiàng)廣泛使用且存在很大風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)。對(duì)在架空施工中經(jīng)常使用的橫穿梁架空的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析和檢算,取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)保證線路架空施工作業(yè)安全有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

線路架空 橫穿梁 有限元

1 橫穿梁架空概述

近年來(lái),橫穿梁架空在營(yíng)業(yè)線線路架空作業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用,逐步取代了以往使用橫向軌束梁架空的方式。在一定跨度范圍內(nèi),比其它類型的梁能節(jié)約鋼材達(dá) 10%～20%。同時(shí)其抗扭剛度與橫向剛度較大,制造、安裝及維護(hù)也較簡(jiǎn)易,外形簡(jiǎn)潔,如圖1。但由于橫穿梁在使用中存在局部失穩(wěn),腹板穩(wěn)定等問(wèn)題,需進(jìn)一步改進(jìn)。為此,選取了單根橫穿梁進(jìn)行應(yīng)力分析,對(duì)梁的選型、設(shè)計(jì)、制造及使用提供一定的依據(jù)。

圖 1 橫穿梁的實(shí)際應(yīng)用

2 橫穿梁的應(yīng)力計(jì)算條件

按照最不利情況確認(rèn)橫穿梁的應(yīng)力計(jì)算條件,在簡(jiǎn)化的中—活載力學(xué)模型下其基本參數(shù)為：①16M n鋼強(qiáng)度[σ]=240 M P a。②橫向跨度Lp=4.4 m。③剛度條件 f＜Lp/250。④軌枕鋪設(shè)1 840根/k m。⑤在線路橫斷面,架空設(shè)備的橫穿梁橫向跨度 Lp為 4.4m,軌距為1 435 m m,鋼軌中心距為 1.508 m。其布置見(jiàn)圖 2。

圖2 橫穿梁的縱斷面布置(單位：c m)

3 有限元計(jì)算

在確定了橫穿梁的整個(gè)架空設(shè)備方案和基本截面后,用有限元方法對(duì)架空設(shè)備進(jìn)行了三維有限元結(jié)構(gòu)分析。橫穿梁為自制鋼箱形梁,橫向跨距 4.4 m,梁長(zhǎng)5 m,梁間距 1.1 m,縱向軌束梁由兩排“七扣一組”的43 k g/m鋼軌組成,下面以枕木垛支撐,兩排縱向軌束梁中心距 4.4 m,枕木垛橫向跨距 4.4 m,縱向跨距3.3 m,鋼軌為 60 k g/m軌,鋼軌與橫穿梁,橫穿梁與縱束梁之間有簡(jiǎn)易扣件聯(lián)接,原鋼軌底部枕木視為支撐鏈桿、間距 0.54 m。正線鋼軌為 60 k g/m軌,縱束梁由 7根 43 k g/m軌集束而成。43 k g/m鋼軌截面特征：鋼軌上部截面系數(shù) Wf=208 c m3;鋼軌對(duì)水平軸的慣性矩 Jx=1 489 c m4;鋼軌下部截面系數(shù) Wg=217 c m3;鋼軌對(duì)豎直軸的慣性矩 Jy=260 c m4。60 k g/m鋼軌截面特征：Wf=339 c m3;Jx=3 217 c m4;Wg=396 c m3;Jy=524 c m4。摩擦系數(shù)：鋼對(duì)橡膠 f=0.8;鋼對(duì)木材 f=0.4。中—活載;東風(fēng) 4荷載(D F 4);速度系數(shù)α=0.6v/100=0.3(v=50 k m/h);偏載系數(shù) β=0.002ΔH=0.15(ΔH=75 m m);橫向水平力系數(shù) f=1.6(曲線半徑 600 m時(shí))。

正線鋼軌架空設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但傳力過(guò)程很復(fù)雜。傳力過(guò)程為車輪傳向鋼軌,鋼軌上的荷載部分傳向橫穿梁,傳遞到橫穿梁的力是通過(guò)鋼軌與橫穿梁的接觸面上傳正壓力及其摩擦力。由于摩擦力是可變的,且不可超過(guò)最大靜摩擦力,因此該問(wèn)題為非線性問(wèn)題。在此,各接觸面上梁的聯(lián)接視為球鉸聯(lián)接,當(dāng)摩擦力達(dá)到靜摩擦力時(shí),各接觸面上只傳遞正壓力,摩擦力只是由正壓力確定。建立有限元模型見(jiàn)圖 3。

在計(jì)算架空設(shè)備時(shí),計(jì)算時(shí)是按靜力平衡計(jì)算,列車以限速通過(guò)架空地段。在 80 k P a-300 k P a-80 k P a地基工況情況下,有限元計(jì)算后橫穿梁的 V o nM i s e s應(yīng)力見(jiàn)圖 4。

圖 4 橫穿梁變形及其V o nMi s e s應(yīng)力分布

通過(guò)計(jì)算,鋼軌底部的橫穿梁上翼板處應(yīng)力最大,應(yīng)力在 230 M P a以上,且橫穿梁與鋼軌底部外側(cè)翼緣呈線性接觸。接觸處的最大應(yīng)力為 492.3 M P a,屬于接觸應(yīng)力,該應(yīng)力應(yīng)除去動(dòng)載系數(shù),作為接觸應(yīng)力校核即為 339.5 M P a,另鋼軌底部處的橫穿梁在局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力梯度變化很大,說(shuō)明此處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

橫穿梁上翼板上開槽部分,位于鋼軌內(nèi)外側(cè),其上的應(yīng)力在于 210～220 M P a之間,按 16M n鋼板厚度在4～20 m m之間允許應(yīng)力[σ]=240 M P a校核,其結(jié)果為安全。

在兩槽口之間的上翼板其應(yīng)力在 150～190 M P a之間 ＜[σ],屬于安全范圍。在槽的鋼軌外側(cè)部分的上翼板上,應(yīng)力在 130～170 M P a,屬于安全范圍。隔板中間主槽外側(cè)應(yīng)力在 70～130 M P a之間,均在安全范圍。

橫穿梁的腹板上,在從兩頭數(shù)的第三隔板之間的上部應(yīng)力較大,在 130～190 M P a之間。在兩端與縱束梁支撐處,應(yīng)為在 130～140 M P a之間。從該處到與鋼軌接觸處一斜帶狀區(qū)域的應(yīng)力在70～90 M P a之間,其余部分的應(yīng)力均 ＜70 M P a,因此,腹板上的應(yīng)力均 ＜[σ],均在安全范圍。

下翼板上,在與縱束梁接觸處,應(yīng)力在 130～180 M P a之間,在兩鋼軌之間的下翼板上應(yīng)力在 50～60 M P a之間,其部分應(yīng)均 ＜50 M P a。因此,下翼板強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)。

橫穿梁上的隔板上的應(yīng)力均在 50 M P a以下,其對(duì)側(cè)腹板加強(qiáng)起了很大作用。

4 結(jié)論

1)橫穿梁除在鋼軌底部接觸應(yīng)力較大外,其余部位強(qiáng)度屬于安全,其整體與局部穩(wěn)定。為了減輕鋼梁的重量,可不需下翼板加厚板,及應(yīng)力小的部位鏤空,但應(yīng)以滿足剛度條件為前提。橫穿梁與鋼軌接觸處,應(yīng)安設(shè)加強(qiáng)筋,可改善此處的受力條件。

2)基礎(chǔ)條件越好,架空設(shè)備整體作用越強(qiáng),則其上各構(gòu)件越趨于安全,在基礎(chǔ)弱時(shí),架空設(shè)備的變形增大,相互接觸面積減小,局部應(yīng)力增大,影響整體穩(wěn)定。因此架空設(shè)備聯(lián)接部位要進(jìn)行加固,在地基條件較弱時(shí),尤為重要。

3)由于在實(shí)際工作中,架空設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)較為松散,給其整體三維有限元電算分析帶來(lái)一些困難,但對(duì)適應(yīng)限速線路架空設(shè)備進(jìn)行整體三維有限元電算分析,是一種有益的嘗試。

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U 449.52

B

1003-1995(2010)02-0004-02

2009-09-11;

2009-11-20

孫鍵(1975— ),男,湖北武漢人,高級(jí)工程師,碩士。

(責(zé)任審編 白敏華)