李昊

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

小線間距條件下D型便梁改造與有限元分析

李昊

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

D型施工便梁的最大優(yōu)點(diǎn)是橋涵施工時(shí)可保證既有鐵路的通車條件，缺點(diǎn)是受鐵路線間距制約。為保證既有鐵路的通車條件，在線間距過小時(shí)需要對(duì)便梁進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。通過對(duì)既有施工便梁上的牛腿S12進(jìn)行更換，換裝成S3構(gòu)件，減小了鋼軌頂?shù)绞┕ち喉數(shù)木嚯x，滿足了鐵路建筑限界的要求。為了滿足改造后便梁結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性要求，特在縱梁兩端、L／4、L／2、3L／4處增加5道橫梁，采取局部加厚橫梁梁端下翼板尺寸的方法滿足橫梁的強(qiáng)度要求。通過建立便梁空間桿系有限元模型、實(shí)體有限元模型，對(duì)施工過程中的最不利工況進(jìn)行仿真分析。計(jì)算結(jié)果表明，改造后的D型施工便梁結(jié)構(gòu)能夠滿足列車通過時(shí)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。

D型施工便梁；線間距；橫梁加強(qiáng)；有限元

1 工程概況

橋址位于呼和浩特市東影北路與既有集包鐵路（呼東聯(lián)絡(luò)線）及改集包線交匯處，交叉里程K650+148.57，道路中心與鐵路的夾角為90°。改集包鐵路為國鐵I級(jí)，雙線電氣化鐵路，橋址處線間距最小4.1 m，東西走向，直線區(qū)段。道路與鐵路交叉處設(shè)計(jì)為（1-6.0 m）+（1-16.0 m）+（1-6.0 m）三孔分離式框構(gòu)，頂進(jìn)施工。為保證既有鐵路的通車條件，施工過程中需要對(duì)改集包左、右線進(jìn)行線路加固，加固體系采用16 m+24 m+16 m D型施工便梁。圖1為框構(gòu)平面布置示意圖。

圖1 框構(gòu)平面布置示意圖（單位：cm）

2 項(xiàng)目方案研究

該橋線路加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)為16 m+24 m+16 m D型施工便梁，由于工程所處位置線間距較?。▋H為4.1 m），定型24 m D型施工便梁不能滿足《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》[9]附表中規(guī)定的直線段雙線線間距4.51 m≤a＜4.81 m的要求，施工時(shí)不滿足“建限-1”的要求。在線路加固方案的選取上曾提出臨時(shí)便線繞行方案和縱橫梁加固方案，后經(jīng)會(huì)議論證：從工程經(jīng)濟(jì)性、可操作性上均不如D型施工便梁。故需要對(duì)24 mD型施工便梁進(jìn)行改造，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性檢算。

3 D型施工便梁的改造方案

首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和D型施工便梁使用說明書，對(duì)原施工便梁上牛腿S12進(jìn)行更換，更換為S3構(gòu)件，下牛腿S12保留。減小了鋼軌到施工梁頂距離，滿足了“建限-1”的要求。安裝牛腿S12時(shí)和安裝牛腿S3時(shí)軌頂?shù)搅喉數(shù)木嚯x參數(shù)見表1，改造前后便梁與限界關(guān)系見圖2、圖3。

表1 D梁改造前后梁體與限界關(guān)系對(duì)比表

圖2 安裝上牛腿S12時(shí)便梁與限界關(guān)系圖（單位：mm）

圖3 上牛腿更換為S3時(shí)便梁與限界關(guān)系圖（單位：mm）

由于橫梁上提導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的橫向剛度減弱，為了增加結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，特在縱梁兩側(cè)梁端、1/4跨、1/2跨、3/4跨增加5道橫梁，加固后斷面關(guān)系見圖4。

圖4 D型便梁增加加勁橫梁布置圖（單位：mm）

4 D型便梁的檢算

4.1 模型的建立

列車通過D梁時(shí)，列車荷載通過鋼軌傳遞給橫梁，再通過橫梁傳遞給縱梁。采用MIDAS CIVIL 2015有限元分析軟件建立便梁的空間有限元模型（見圖5），分析便梁在列車活載作用下的受力狀態(tài)。車道用虛擬梁單元模擬，縱、橫梁均采用空間梁單元模擬。上橫梁與縱梁之間采用剛性連接模擬，并釋放面外的轉(zhuǎn)角約束；下加勁橫梁與縱梁之間、兩段斜桿間均采用鉸接模擬。梁頂與梁底節(jié)點(diǎn)間采用剛性連接（平截面假定），縱梁與支點(diǎn)樁之間的支撐按照簡支梁的邊界條件進(jìn)行模擬。

圖5 24 m D型便梁整體模型

4.2 計(jì)算荷載

（1）自重：鋼容重取78.5 kN/m3。

（2）二期恒載：包含軌道、扣件、枕木等，荷載通過軌道傳遞到橫梁對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，平均到每處節(jié)點(diǎn)荷載位1 657 N。

（4）制動(dòng)力：制動(dòng)力按照列車豎向靜活載的10%計(jì)算。

4.3 便梁的組成及截面尺寸

D型施工便梁由縱梁、橫梁、上下牛腿和節(jié)點(diǎn)板組成?？v、橫梁采用Q345qD鋼材，其余采用Q235鋼材?？v梁長度為24 500 mm，橫向間距為4 460 mm；橫梁長度為3 960 mm，縱向間距為670 mm。各部件結(jié)構(gòu)截面尺寸如圖6所示。

圖6 24 m D型便梁各部件截面尺寸（單位：mm）

4.4 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

4.4.1 強(qiáng)度驗(yàn)算指標(biāo)

依據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002. 5-2005）[7]，需要對(duì)便梁的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)應(yīng)D型便梁，第一層橫梁及縱梁為純彎構(gòu)件、加勁橫梁為中心受拉構(gòu)件。應(yīng)按照規(guī)范中公式（4.2.1-2）和（4.2.1-6）、（4.2.1-7）分別檢算構(gòu)件的法向應(yīng)力、剪應(yīng)力和換算應(yīng)力。

Q345qD鋼基本容許應(yīng)力為：軸向應(yīng)力〔σ〕= 200 MPa；彎曲應(yīng)力〔σw〕=210 MPa；剪應(yīng)力〔τ〕= 120 MPa。考慮到該結(jié)構(gòu)為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，按照《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.5-2005）3.2.8規(guī)定[7]，應(yīng)考慮容許應(yīng)力提高系數(shù)1.2，對(duì)應(yīng)提高后軸向應(yīng)力〔σ〕=240 MPa，彎曲應(yīng)力〔σw〕=252 MPa，剪應(yīng)力〔τ〕=144 MPa。

4.4.2 構(gòu)件的總體穩(wěn)定

依據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.5-2005）中4.2.2條[7]驗(yàn)算橫梁和縱梁的總穩(wěn)定性。

4.4.3 梁體撓度

按照《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》（鐵總運(yùn)【2014】272號(hào)）附表3-3要求[9]，梁體在靜活載下的撓度不得大于跨度的1/400。

4.5 檢算結(jié)果

4.5.1 縱、橫梁

通過建立的空間桿系有限元分析，提取主要計(jì)算結(jié)果，詳見表2、圖7～圖9得出如下結(jié)論：

表2 D型便梁主要構(gòu)件檢算結(jié)果

圖7 D型便梁縱梁彎曲正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖8 D型便梁橫梁彎曲正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖9 D型便梁在靜活載作用下整體豎向位移包絡(luò)圖（單位：mm）

（1）縱梁最大彎曲應(yīng)力以及撓度發(fā)生在跨中位置處，剪應(yīng)力最大值發(fā)生在縱梁梁端位置。

（2）橫梁最大彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力發(fā)生在梁端位置，撓度最大值發(fā)生在跨中位置處。

（3）由于荷載的橫向偏載，造成橫梁臨近線間側(cè)端部換算應(yīng)力超出容許值，需要對(duì)橫梁進(jìn)行局部加強(qiáng)。

4.5.2 牛腿

24 m D型施工便梁橫向間距為670 mm，每孔便梁共有37根橫梁，縱橫梁通過牛腿及節(jié)點(diǎn)板栓接。通過計(jì)算，節(jié)點(diǎn)連接處剪力最大值為177.5 kN，彎矩最大值為134.7 kN·m。縱橫梁連接處牛腿的受力形式為螺栓群連接的彎矩和剪力共同作用下的受剪構(gòu)件，每個(gè)螺栓受力均為剪力，應(yīng)按下式驗(yàn)算螺栓應(yīng)力：

計(jì)算結(jié)果表明：距離形心最遠(yuǎn)處螺栓剪力為13 055.88 N，小于螺栓承載力[N]bv=24 640 N，滿足規(guī)范要求。

4.6 橫梁加強(qiáng)及加強(qiáng)后實(shí)體有限元分析

由表2可知，橫梁梁端處的換算應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，需要對(duì)橫梁梁端下翼板進(jìn)行加強(qiáng)處理。在距離橫梁梁端40 cm范圍內(nèi)的下翼緣板內(nèi)側(cè)焊接10 mm厚與橫梁同材質(zhì)鋼板。

對(duì)橫梁加強(qiáng)后的D型便梁，建立空間桿系有限元模型、實(shí)體有限元模型進(jìn)行仿真分析。

實(shí)體有限元分析采用的軟件為MIDAS FEA，加載方式為空間桿系有限元模型的桿件內(nèi)力。牛腿與結(jié)點(diǎn)板的連接，采用鉸接模擬；橫梁與牛腿的連接情況較復(fù)雜，模型采用螺栓的簡易模型，分別在螺栓與橫梁和牛腿之間建立接觸面實(shí)現(xiàn)荷載的傳遞。計(jì)算模型見圖10。

圖10 橫梁與牛腿FEA實(shí)體模型

由圖11可知：實(shí)體有限元分析橫梁梁端最大換算應(yīng)力發(fā)生在橫梁與牛腿結(jié)合交界處，最大值250.65MPa；經(jīng)空間桿系有限元分析最大值為240 MPa，均小于容許值252 MPa。滿足規(guī)范要求。

圖11 橫梁與牛腿疊合處主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

5 結(jié)論

（1）為了增加D型便梁的整體和局部穩(wěn)定性，建議在縱梁兩側(cè)梁端、1/4跨、1/2跨、3/4跨增加5道橫梁。

（2）為滿足“建限-1”的要求，建議將施工便梁上牛腿S12更換為S3構(gòu)件。

（3）為保證橫梁受力滿足規(guī)范要求，建議在距離橫梁梁端40 cm范圍內(nèi)的下翼緣板內(nèi)側(cè)焊接10 mm厚與橫梁同材質(zhì)鋼板，焊縫采用10 mm四周角焊縫。

（4）從加強(qiáng)后的橫梁計(jì)算結(jié)果可以看出，橫梁在主力作用下?lián)Q算應(yīng)力已接近容許值，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝條件和偏載較大等因素，建議選用周轉(zhuǎn)次數(shù)較少的便梁進(jìn)行改造加強(qiáng)，并在廠家的指導(dǎo)下進(jìn)行安裝。

（5）為了保證便梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生橫向移動(dòng)，建議在支點(diǎn)樁頂部預(yù)埋工字鋼作為橫向限位裝置。

（6）從撓度計(jì)算結(jié)果可以看出梁體撓度已接近容許值，建議在施工過程中加強(qiáng)便梁撓度的觀測(cè)。

[1]中華人民共和國國務(wù)院.鐵路安全管理?xiàng)l例（國務(wù)院令第639號(hào)）[Z].北京：中華人民共和國國務(wù)院.

[3]TG/CW 106-2012，鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法[S].

[4]TG/CW 106A-2014，鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法補(bǔ)充規(guī)定[S].

[5]TB10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[6]TB10002.5-2005，鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]TB10002.5-2005，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]TG/GW 101-2014，普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則[S].

[10]中鐵寶橋天元實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司.D型施工便梁使用說明書[Z].寶雞：中鐵寶橋天元實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，2010.

表3 撓度驗(yàn)算結(jié)果

U445

B

1009-7716（2016）12-0079-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.023

2016-08-29

李昊（1984-），男，河北石家莊人，工學(xué)碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。