徐少平

(中鐵十三局集團第五工程有限公司，四川成都610500)

上世紀60年代初，我國開始對栓焊鐵路鋼桁橋進行研制，于1962年和1964年分別建成雛榮(跨度44.62 m)和浪江(跨度61.44 m)兩座試點橋［1］。成昆鐵路大量采用栓焊鋼橋新技術，取得了顯著地效果，在設計、制造和科學試驗方面，都有很大的改進和發(fā)展。特別是在性能優(yōu)異的正交異性板鋼桁橋方面，進行了大量的理論和試驗研究。

成昆線上的很多鋼桁橋已有40來年的歷史了。隨著鐵路交通的發(fā)展，還在運營中的鋼桁橋，特別是用于曲線線路上的32 m跨正交異性板鋼桁橋，是否還能滿足現行規(guī)范鐵路標準荷載要求，有待新的評估。成昆線鋼桁橋設計荷載為:中—22級［2］，而現行規(guī)范規(guī)定的鐵路標準荷載為:中—活載，因此，當時建成的鋼橋的性能需進行新的評估。本文按現行規(guī)范規(guī)定荷載對成昆線上的32 m跨正交異性板鋼桁橋進行了靜動力計算，以評估此類橋梁在現時運營中的性能。

1 正交異性板鋼桁橋簡介

成昆線上有較多的32 m跨上承式鋼桁橋，按橋面形式分明橋面及道蹅橋面(正交異性板橋面)兩種形式。32 m跨正交異性板橋面鋼桁橋節(jié)間長3.2 m，主桁中心距2m，主桁高度3.2m。正交異性板橋面鋼桁橋整體性好，桿件輕巧，架設簡易，受力條件好，節(jié)省鋼材及抗扭剛度大等諸多優(yōu)點，使得它在成昆線上被大量應用，此類橋多用于曲線半徑R≥450 m的線路上，活載對此橋的作用存在一定的偏心距。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

分別采用ANSYS和MIDAS兩種有限元軟件建模分析，如圖1、圖2所示。用通用有限元軟件ANSYS建模時，采用Shell63單元建立全橋模型。用MIDAS建模時，采用梁單元，由于橋面為正交異性板橋面，需將其在縱橫方向上進行簡化處理，這里按梁格法［3］進行等效建模。用梁格法分析時，要將原型結構用一等效梁格代替。所謂等效，是指兩種結構承受相同的荷載時，產生的結構變形是一樣的，而且任一梁格內的內力等于該梁所代表的原型結構相應部分的截面應力的合力，也就是假定把上部結構中每一區(qū)域的抗彎和抗扭剛度集中到臨近的梁格內，即兩種結構在位移和內力上相等效。材料參數如表1所示。

?

按照設計要求，二期恒載采用12.4 kN/m2，橫橋向寬3.8 m范圍內均勻分布。

圖1 ANSYS有限元模型

2.2 有限元模型的合理性驗算

與試驗實測結果進行對比來驗證ANSYS模型的正確性。1976年對摸魚蚱大橋(32 m跨正交異性板鋼桁橋)進行了鑒定加載試驗，測點布置如圖3所示。在32 m跨內加12個集中力，大小都為210 kN?，F將有限元建模計算結果與試驗結果進行對比，模型及加載位置如圖4所示。計算和試驗結果見表2。

圖2 MIDAS有限元模型

圖3 試驗實測及有限元驗算點布置

圖4 驗算模型及集中力加載布置

?

由表2可知，有限元計算與手工計算及試驗實測結果［1］對比非常吻合，說明ANSYS模型非常接近實際狀態(tài)，其計算結果可信。

3 最大撓度計算

考慮到列車行駛時的安全性和舒適性，鐵路橋在活載作用下的最大撓度需滿足相關規(guī)范要求。《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1－2005)［4］中第5.1.2條規(guī)定簡支鋼桁橋的撓度容許值為:L/900。

用MIDAS軟件建模，以提取位移最不利活載位置，如圖5所示。把相應的荷載布置方式布置于ANSYS計算模型中進行計算分析，從而得到比較精確的最大位移量，如圖6所示。計算時，活載按照《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》(TB 10002.2－2005)［5］規(guī)定采用中活載，取運營動力系數為1.248。由于此橋在曲線線路上，因此，活載對此橋的作用存在一定的偏心距，經等效計算，偏心距取20 cm。

圖5 活載最不利位置

通過計算，得到跨中位置處的最大豎向位移為30.412 mm，位移驗算應該采用主桁跨中最大位移30.412 mm作為驗算值。30.412 mm＜L/900=35.56 mm。因此，撓度滿足要求。

圖6 最大豎向位移ANSYS計算結果

4 主桁桿件強度及穩(wěn)定驗算

圖7為半跨正交異性橋面鋼桁橋，利用MIDAS軟件的梁單元最不利荷載追蹤功能對跨中處的下弦桿、斜腹桿及豎桿進行強度驗算，計算結果如表3所示。

圖7 主桁桿件示意圖

上述計算結果均小于容許應力［σ］=200 MPa，滿足《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》(TB 10002.2－2005)［3］第4.2.1條要求，說明強度滿足要求，且安全儲備較大。

對于正交異性橋面鋼桁橋，上弦桿和拉桿均為受拉構件，不存在穩(wěn)定問題，其他的壓桿需作穩(wěn)定驗算。由于桁橋的對稱性，只須驗算四分之一的相應的桿件。各桿件的軸力通過MIDAS計算模型算得。根據《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1－2005)［5］中的第4.2.2條規(guī)定進行驗算，結果如表4所示。

?

?

從表4得知，桿件F2F3不滿足穩(wěn)定要求，其他桿件均滿足穩(wěn)定要求。計算結果表明，由于20世紀60年代還無法對正交異性橋面鋼桁橋進行精確計算，導致桿件F2F3穩(wěn)定計算結果與精確解存在較大差別。

5 動力特性分析

對此橋進行動力特性分析有助于了解正交異性橋面鋼桁橋的動力性能。用ANSYS建立鋼橋模型并提取它的自振頻率和振型，如表5所示。前三階振型圖8所示。

?

表5表明，成昆線32 m正交異性板鋼桁橋的動力性能優(yōu)異，特別是在扭轉方面，其頻率達到5.49，說明扭轉動力特性優(yōu)異，這與其用于一定半徑的曲線線路上相匹配。

圖8 前三階振型圖

6 結論

利用ANSYS和MIDAS兩種有限元軟件，按照現行規(guī)范鐵路標準荷載對成昆線上的32 m跨正交異性板鋼桁橋進行靜動力性能計算評估后得出如下結論。

(1)在現行鐵路標準活載的作用下，豎向位移滿足要求，其豎向剛度較大。

(2)在現行鐵路標準活載的作用下，各桿件強度滿足要求，且還具備較大的安全儲備。

(3)在現行鐵路標準活載的作用下，大部分桿件能滿足穩(wěn)定性要求，但是個別豎桿不能滿足現行規(guī)范的穩(wěn)定性要求。

(4)32 m正交異性板鋼桁橋的動力性能優(yōu)異，特別是在扭轉方面。

［1］潘際炎．栓焊鋼橋的研究［M］．中國鐵道出版社，1983

［2］辛學忠，張玉玲．鐵路橋梁設計活載標準修訂研究［J］．鐵道標準設計，2006(4):1－4

［3］范立礎．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2003

［4］TB 10002.1－2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范［S］

［5］TB 10002.2－2005鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范［S］