李運(yùn)生， 刁云峰， 張彥玲

(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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鐵路鋼桁梁橋在重載列車(chē)下的受力適應(yīng)性分析

李運(yùn)生， 刁云峰， 張彥玲

(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

在既有線上開(kāi)行重載列車(chē)可滿(mǎn)足我國(guó)快速發(fā)展的鐵路運(yùn)量要求，但勢(shì)必會(huì)對(duì)既有鐵路橋梁的安全性產(chǎn)生不利影響。以長(zhǎng)東黃河大橋4跨鐵路連續(xù)鋼桁梁為工程背景，采用Midas軟件建立了有限元模型，對(duì)其整體受力性能和桿件局部受力性能在30 t重載列車(chē)下的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：長(zhǎng)東黃河大橋連續(xù)鋼桁梁的整體受力性能滿(mǎn)足30 t重載的運(yùn)營(yíng)要求，其中豎向撓度安全裕度較中-活載下降約22%，但橫向撓度安全裕度無(wú)明顯下降。鋼桁梁各桿件的應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)、疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)和穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)均較中-活載下降低近20%左右，且個(gè)別桿件在30 t重載下的疲勞和穩(wěn)定性能不滿(mǎn)足規(guī)范要求，需進(jìn)行適當(dāng)加固。

重載列車(chē)；鋼桁梁橋；整體受力性能；局部受力性能；適應(yīng)性；安全儲(chǔ)備系數(shù)

0 引言

在現(xiàn)代國(guó)際鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)展中，各鐵路大貨物運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要標(biāo)志就是貨運(yùn)重載化。重載列車(chē)的開(kāi)行，提高了鐵路運(yùn)量，縮短了貨運(yùn)周轉(zhuǎn)的時(shí)間，大大緩解了繁忙干線運(yùn)量緊張的局面。但由于大軸重重載列車(chē)軸重增大，開(kāi)行密度增加，因此勢(shì)必對(duì)既有橋梁的強(qiáng)度儲(chǔ)備、使用性能和剩余壽命造成較大的影響。目前，關(guān)于重載列車(chē)作用下既有中小跨度混凝土橋梁的性能評(píng)估問(wèn)題已有較多報(bào)道[1-5]，對(duì)鐵路鋼橋也已有部分相關(guān)研究[6-10]，但主要針對(duì)其動(dòng)力性能，且尚不夠系統(tǒng)。

以長(zhǎng)東黃河大橋4跨鐵路連續(xù)鋼桁梁為工程背景，對(duì)其適應(yīng)大軸重重載運(yùn)輸?shù)母鞣N關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，采用Midas軟件建立了有限元模型，對(duì)連續(xù)鋼桁梁的整體受力性能和桿件局部受力性能在30 t重載列車(chē)作用下的適應(yīng)性及其與中-活載下的區(qū)別進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)分析了30 t重載下各項(xiàng)受力性能的安全儲(chǔ)備。

1 有限元模型及作用荷載

1.1 有限元模型

長(zhǎng)東黃河大橋?yàn)?×108 m連續(xù)鋼桁梁橋，主桁立面圖如圖1所示。

圖1 4×108 m連續(xù)鋼桁梁主桁平面圖

采用Midas軟件建立主桁的有限元模型，桿件采用梁?jiǎn)卧?，單元之間的連接全部為剛性連接；桿件為工字型截面。節(jié)點(diǎn)E0、E18、E18’、E0’為活動(dòng)鉸支座，約束其Y、Z兩個(gè)方向的平動(dòng)自由度，節(jié)點(diǎn)E36’為固定支座，約束其X、Y、Z3個(gè)方向的平動(dòng)自由度，有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 鋼桁梁有限元模型

1.2 作用荷載

1.2.1 豎向車(chē)輛活載

長(zhǎng)東黃河大橋設(shè)計(jì)活載為單線普通中-活載，活載圖式如圖3(a)所示[11]；重載車(chē)輛模型采用《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(征求意見(jiàn)稿)[12]中-活載(2005)之ZH荷載(軸重系數(shù)Z=1.2)，計(jì)算圖式如圖3(b)所示。

圖3 列車(chē)活載圖示

在有限元模型中，通過(guò)建立質(zhì)量為零的梁?jiǎn)卧M虛擬車(chē)道，在單元節(jié)點(diǎn)與縱梁節(jié)點(diǎn)間建立剛性連接，然后在虛擬車(chē)道上添加移動(dòng)車(chē)輛，模擬列車(chē)活荷載作用。

1.2.2 橫向搖擺力

鐵路橋梁由普通中-活載產(chǎn)生的橫向搖擺力為100 kN[13](30 t重載下為120 kN[12])，作為一個(gè)集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。上平面應(yīng)分擔(dān)橫向搖擺力的20%，即上弦桿分擔(dān)橫向搖擺力20 kN[13](30 t重載下為24 kN[12])。

把作用在跨中鋼軌頂面的100 kN橫向集中力向跨中兩個(gè)縱梁截面中心轉(zhuǎn)化，各50 kN(30 t重載下為60 kN)，所產(chǎn)生的力矩(扭矩)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)豎向荷載(經(jīng)計(jì)算普通中-活載下為56.25 kN，30 t重載下為67.50 kN)，相互反向施加在兩個(gè)縱梁截面中心上以形成力偶。

荷載工況分兩種，工況Ⅰ為將搖擺力施加在第一跨(邊跨)跨中，工況Ⅱ?yàn)榈诙?中跨)跨中。

1.2.3 橫向風(fēng)力

根據(jù)桿件的截面型號(hào)，鋼桁梁弦桿和豎桿各分為5種類(lèi)型(弦桿1、2、3、4、5；豎桿1、2、3、4、5，以下同)，縱梁連接系分4種類(lèi)型，豎桿、橫梁和橋門(mén)架楣桿各分3種類(lèi)型，縱梁和制動(dòng)撐架各2種類(lèi)型，上、下平聯(lián)各1種類(lèi)型。

橫向風(fēng)荷載參照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1—2005)》[11]進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算橋上無(wú)車(chē)時(shí)的風(fēng)壓強(qiáng)度為0.585 kPa，有車(chē)時(shí)的風(fēng)壓強(qiáng)度為0.468 kPa。以上弦桿為例，上弦桿迎風(fēng)面寬0.6 m，則橋上無(wú)車(chē)時(shí)橫向風(fēng)荷載為0.585×0.6=0.35 kN/m，有車(chē)時(shí)為0.468×0.6=0.28 kN/m，限于篇幅，其他的不再列出。

2 整體受力性能適應(yīng)性分析

2.1 豎向撓度分析

為了保證行車(chē)的安全平穩(wěn)，橋梁應(yīng)具有一定的豎向剛度，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB 10002.2—2005)》[13]規(guī)定，鋼桁梁由靜活載(不計(jì)沖擊力)引起的豎向撓度，對(duì)于連續(xù)桁架梁的邊跨不應(yīng)大于l/900，中跨不應(yīng)大于l/750，l為計(jì)算跨的跨長(zhǎng)。即鋼桁梁豎向撓度限值為

f邊跨=108/900=0.12 m=120 mm，f中跨=108/750=0.144 m=144 mm。

表1 不同列車(chē)靜活載下跨中豎向撓度 mm

2.2 水平撓度分析

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1—2005)》[11]，梁體橫向變形的檢算荷載為：風(fēng)荷載、橫向搖擺力、離心力等，要求在橫向搖擺力和風(fēng)力的作用下，梁體的水平撓度應(yīng)小于或等于梁體計(jì)算跨度的1/4 000[11]，即不大于108/4 000=0.027 m=27 mm。

在橫向風(fēng)荷載及列車(chē)橫向搖擺力作用下，考慮4種橫向荷載組合：

組合Ⅰ：無(wú)車(chē)橫風(fēng)+列車(chē)搖擺力1(搖擺力作用于邊跨跨中位置)；

組合Ⅱ：無(wú)車(chē)橫風(fēng)+列車(chē)搖擺力2(搖擺力作用于中跨跨中位置)；

組合Ⅲ：有車(chē)橫風(fēng)+列車(chē)搖擺力1；

組合Ⅳ：有車(chē)橫風(fēng)+列車(chē)搖擺力2。

表2 組合Ⅰ、Ⅱ下鋼桁梁的水平撓度 mm

表3 組合Ⅲ、Ⅳ下鋼桁梁的水平撓度 mm

3 桿件局部受力性能適應(yīng)性分析

3.1 荷載組合

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[11]，分析中采用以下4種荷載組合：

組合Ⅰ：恒載+活載(主力1)；

組合Ⅱ：恒載+活載+列車(chē)搖擺力(主力2)，其中列車(chē)搖擺力在邊跨跨中時(shí)為Ⅱ-1，在中跨跨中時(shí)為Ⅱ-2；

組合Ⅲ：主力1+制動(dòng)力，其中制動(dòng)力在邊跨跨中時(shí)為Ⅲ-1，在中跨跨中時(shí)為Ⅲ-2；

組合Ⅳ：主力2+橫向風(fēng)力，其中列車(chē)搖擺力在邊跨跨中時(shí)為Ⅳ-1，在中跨跨中時(shí)為Ⅳ-2。

3.2 桿件應(yīng)力分析

長(zhǎng)東黃河大橋主桁桿件均采用16 Mnq鋼，其基本容許應(yīng)力當(dāng)板厚小于24 mm時(shí)取，板厚為32 mm時(shí)取。在不同荷載組合下對(duì)容許應(yīng)力采用不同的提高系數(shù)，對(duì)于組合Ⅰ、Ⅱ，提高系數(shù)為1.0，組合Ⅲ為1.25，組合Ⅳ為1.2[11]。

考慮到桿件的工作條件及重要性，桿件應(yīng)力要留有一定的安全儲(chǔ)備。定義容許應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力的比值為應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)。經(jīng)Midas軟件進(jìn)行有限元分析，得到各桿件在普通中-活載和30 t重載下的最大應(yīng)力及各自的安全儲(chǔ)備系數(shù)，將各類(lèi)型桿件中應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)最小，即應(yīng)力值最大的取出，所得結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各種荷載組合下桿件的應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)

注：在組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中，應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)取各自?xún)煞N組合(Ⅱ-1和Ⅱ-2、Ⅲ-1和Ⅲ-2、Ⅳ-1和Ⅳ-2)中的較小值。

由表4可以得知，無(wú)論在普通中-活載還是30 t重載列車(chē)下，鋼桁梁橋各桿件在各種荷載組合下的應(yīng)力均滿(mǎn)足容許應(yīng)力的要求，即應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)均大于1.0，但在30 t重載列車(chē)作用下應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)均明顯降低，降幅在12%～20%。30 t重載列車(chē)作用下安全儲(chǔ)備系數(shù)最小的是斜桿4(工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□420×12、1-□436×10，具體位置見(jiàn)圖1中的E2’C1’)，在組合Ⅰ和組合Ⅱ下僅為1.1。

3.3 桿件應(yīng)力幅分析及疲勞強(qiáng)度檢算

疲勞荷載組合包括設(shè)計(jì)荷載中的恒載加活載(包括沖擊力、離心力，但不考慮活載發(fā)展系數(shù))，其中列車(chē)豎向荷載包括列車(chē)豎向動(dòng)力作用(經(jīng)計(jì)算本算例為1.12)。

非焊接構(gòu)件及連接疲勞檢算公式為[13]：

(1)疲勞應(yīng)力為拉-拉構(gòu)件

(1)

(2)疲勞應(yīng)力為拉-壓構(gòu)件

(2)

根據(jù)桿件連接方式查文獻(xiàn)[13]附錄Ⅰ表5知，除弦桿1、豎桿1和橫梁2的容許疲勞應(yīng)力幅為103 MPa外，其余桿件均為109.6 MPa。由Midas軟件計(jì)算出移動(dòng)荷載下各桿件的疲勞應(yīng)力幅，將其與容許疲勞應(yīng)力幅值的比值定義為疲勞系數(shù)，要求疲勞系數(shù)不大于容許疲勞安全系數(shù)1.05。將容許疲勞安全系數(shù)(1.05)與疲勞系數(shù)的比值定義為疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)。

因荷載組合Ⅲ、Ⅳ包含荷載組合Ⅰ、Ⅱ所含荷載，因此僅對(duì)荷載組合Ⅲ、Ⅳ進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的分析。將各類(lèi)型桿件中疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)最小，即疲勞系數(shù)最大的結(jié)果取出，見(jiàn)表5。

表5 各種荷載組合下桿件的疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)

注：在組合Ⅲ、Ⅳ中，疲勞系數(shù)取各自?xún)煞N組合(Ⅲ-1和Ⅲ-2、Ⅳ-1和Ⅳ-2)中的較小值。

由表5可知：中-活載作用下，各類(lèi)型桿件中疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)最小值均大于1.0，說(shuō)明鋼桁梁在中-活載作用下疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。在30 t重載列車(chē)作用下，各桿件疲勞系數(shù)均顯著增大，疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)減小，降低幅度均超過(guò)20%，且已有個(gè)別桿件的疲勞系數(shù)超過(guò)了1.05，安全儲(chǔ)備系數(shù)小于1.0，不再滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度的要求，這些桿件包括：弦桿4(工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□420×12、1-□436×10，見(jiàn)圖1中E26E28)、弦桿5(E28E30，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□600×20、1-□420×16)、斜桿3(E14C15，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□460×16、1-□428×12)、斜桿4(E2’C1’，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□420×12、1-□436×10)和斜桿5(E16C17，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□460×20、1-□420×12)，其中弦桿4(E26E28)的疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)最小，只有0.77。這些桿件需進(jìn)行適當(dāng)加固，才能滿(mǎn)足30 t重載列車(chē)的運(yùn)營(yíng)要求。

3.4 桿件穩(wěn)定性分析

壓桿穩(wěn)定的計(jì)算公式為

(3)

式中，N為桿件的計(jì)算軸向力(MN)；φ1為中心受壓桿件的容許應(yīng)力折減系數(shù)[13]；Am為桿件的毛截面面積；[σ]為鋼材的基本容許軸向應(yīng)力。

根據(jù)各桿件的長(zhǎng)細(xì)比，在《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中查詢(xún)?nèi)菰S應(yīng)力折減系數(shù)，再由Midas軟件得到各桿件的軸力，由公式(3)可計(jì)算得到考慮折減系數(shù)以后的最大應(yīng)力，并將容許應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值定義為穩(wěn)定安全系數(shù)。取出各類(lèi)型桿件中穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)最小的結(jié)果，見(jiàn)表6。

表6 各種荷載組合下桿件的穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)

注：在組合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中，穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)取各自?xún)煞N組合(Ⅱ-1和Ⅱ-2、Ⅲ-1和Ⅲ-2、Ⅳ-1和Ⅳ-2)中的較小值。

由表6可知，普通中-活載作用下鋼桁梁橋各桿件在各種荷載組合下的穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)均大于1.0，局部穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求；30 t重載列車(chē)作用下穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)明顯降低，降幅在15%～20%，且部分桿件的穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)小于1.0，說(shuō)明局部穩(wěn)定性已不滿(mǎn)足要求，包括：弦桿1(支座231#、233#處下弦桿，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□600×32、1-□396×24)、斜桿1(E0A2，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□600×24、1-□412×24)、斜桿3(A12C13、A12’C13’，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□460×16、1-□428×12)、下平聯(lián)(支座231#、233#處下平聯(lián)，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□240×10、1-□400×10)、橋門(mén)架楣桿3(支座231#、233#處橋門(mén)架楣桿，工字型截面，鋼板規(guī)格為2-□240×10、1-□400×10)。

4 結(jié)論

(2)桿件局部受力性能適用性評(píng)估。①30 t重載列車(chē)下，鋼桁梁各桿件在各種荷載組合下的應(yīng)力均滿(mǎn)足容許應(yīng)力的要求，但應(yīng)力安全儲(chǔ)備系數(shù)較中-活載下降低12%～20%，其中安全儲(chǔ)備系數(shù)最小的是斜桿4；②30 t重載列車(chē)下，各桿件疲勞安全儲(chǔ)備系數(shù)較中-活載下減小20%以上，且個(gè)別桿件不再滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度的要求，包括弦桿4、5和斜桿3、4、5；③30 t重載列車(chē)下各桿件的穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)較中-活載下降低15%～20%，部分桿件的穩(wěn)定安全儲(chǔ)備系數(shù)小于1.0，局部穩(wěn)定性不滿(mǎn)足要求，包括弦桿1、斜桿1、3、下平聯(lián)和橋門(mén)架楣桿3。

總之，本算例中連續(xù)鋼桁梁的整體受力性能滿(mǎn)足30 t重載的運(yùn)營(yíng)要求，但個(gè)別桿件需進(jìn)行適當(dāng)加固，才能滿(mǎn)足30 t重載下的疲勞和穩(wěn)定性的要求。

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Adaptability Analysis of the Railway Steel Truss Bridges under Heavy-haul Loads

Li Yunsheng， Diao Yunfeng, Zhang Yanling

(School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Running heavy haul trains on the existing railway line can satisfy the rapid development of China’s railway transport, but it is bound to have an adverse effect on the safety of existing railway bridges. A four-span railway continuous steel truss in ChangDong yellow river bridge is set as the calculating sample, whose finite element model is build with Midas software, and the adaptability of the whole and local stress behaviors are analyzed under the heavy-haul loads. The results indicate that, the whole stress behaviors of the four-span railway continuous steel truss in ChangDong yellow river bridge satisfy the running demands under the 30 t heavy-haul loads, meanwhile the safety margin of the vertical deformation are lower about 22% than that of under the China railway standard live loading, but the safety margin of the lateral deformation has little decrease. The safety storage coefficients of the stress, fatigue and stability of the truss members are lower nearly 20% than that of under the China railway standard live loading, and the fatigue and stability of some members can not satisfy the demand of the code any longer, which should be strengthen to be used continuously.

heavy haul railway;steel truss bridge;whole stress behavior;local stress behavior;adaptability;safety storage coefficient

2015-10-11 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.04.01

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2013G010-A)

李運(yùn)生(1970-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殇撆c組合結(jié)構(gòu)橋梁。E-mail：liysh70@163.com

TU375.4

A

2095-0373(2016)04-0001-07

李運(yùn)生,刁云峰,張彥玲.鐵路鋼桁梁橋在重載列車(chē)下的受力適應(yīng)性分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(4):1-7.