王文博

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,兰州　730000)



铁路简支槽形梁结构设计与动力仿真分析

王文博

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,兰州730000)

摘要：在我国铁路桥梁中,槽形梁的使用还较少。对敦格铁路1-32m槽形梁进行计算分析,并对其进行车桥耦合动力仿真分析。根据计算分析的结论,得出设计的槽形梁断面及各项应力合理,车桥耦合动力特性满足现行规范要求,为敦格铁路安全运营提供理论依据和科学参考,为槽形梁在我国铁路建设中的推广具有很强的借鉴意义。

关键词：敦格铁路；槽形梁；车桥耦合；仿真计算

槽形梁是一种具有建筑高度低、节省路基土石方工程投资、养护简便及减少噪声等优点的梁板组合预应力结构[1]。这种结构在我国铁路已有一些实例，但并未推广大规模使用，同时对于车辆通过梁体时的车桥耦合问题无深入研究。以敦格铁路1-32 m简支槽形梁的设计为切入点，重点介绍槽形梁的断面计算分析和车桥耦合分析。

敦格铁路在DK58+348.7处跨越涩宁兰天然气管道，在保证线路高度总体合理的前提下，线路与管道立交处填土高度约为3.65 m[2]。《铁路工程设计防火规范》(TB10063—2007)要求新建桥梁梁底至埋置油气管道的天然地面净高不小于2 m，为此于此处设置1-32 m简支槽形梁跨越涩宁兰天然气管道[3]。在我国已对普速铁路下发各类部颁参考图的背景下，此梁的设计与车桥耦合分析为普速铁路简支槽形梁标准图的设计推广提供了一定的借鉴意义。

1槽形梁结构计算分析

1.1主要结构特点

槽形梁是一种梁板空间组合预应力结构，属于下承式预应力桥梁，它由行车道床板、主梁及端横梁等部分组成。当列车荷载作用在桥面上时，荷载通过道床板传给主梁，再由主梁传到支座。槽形梁最大的特点是能够有效降低桥梁建筑高度，其建筑高度主要取决于行车道板的横向宽度，当桥梁跨度越大时，建筑高度低的优势越明显[4]。在结构受力上，槽形梁属于开口薄壁构件，具有受扭性能差，主梁腹板受力及主梁与道床板连接构造复杂，桥面板弯矩受纵梁扭转刚度影响较大等特点。

1.2结构计算

1.2.1尺寸拟定

主梁跨中梁高3.2 m，支点梁高3.7 m；上翼缘板宽度为1.20 m，梁顶宽为8.90 m，梁底宽为8.10 m；道床板顶面设2%的双面人字坡，板厚0.45～0.95 m；跨中腹板厚度0.5 m，支点截面加厚至0.80 m[3]。见图1。

图1　槽形梁跨中构造(单位：cm)

1.2.2计算参数

主梁体采用C55混凝土，混凝土弹性模量3.55×104MPa，标准抗压强度37.0 MPa，标准抗拉强度3.30 MPa，容重采用26.5 kN/m3。道砟等二期恒载线荷载集度采用85 kN/m(顺桥向)；混凝土瞬时徐变系数fa=0.8、滞后徐变系数fd=0.4、环境相对湿度采用70%，混凝土平均加载龄期按10 d计，终极龄期按1 500 d计[5]。

纵向预应力钢绞线：fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，管道摩擦系数μ=0.23，管道偏差系数k=0.002 5，一端锚具回缩6 mm，松弛损失σ15=ψζ(0.52σpe/fpk-0.26)σpe。

温度偏于安全考虑结构整体升温按20 ℃计算， 降温按25 ℃(不含混凝土收缩徐变影响)计算。桥面板升温根据铁路规范取5 ℃。主梁腹板内外日照温差采用±5 ℃。混凝土线膨胀系数为0.000 01。以上温度模式按实际最不利情况组合。基本风压取700 Pa[6]。

1.2.3荷载组合

主力组合：结构重力+二期恒载+预加力+收缩徐变+基础变位影响+中-活载(包括离心力和摇摆力)。

主力+附加力组合：结构重力+二期恒载+预加力+收缩徐变+基础变位影响+中-活载(包括离心力和摇摆力)+温度作用+风力+制动力。

主力+特殊荷载组合：结构重力+二期恒载+预加力+收缩徐变+基础变位影响+中-活载(包括离心力和摇摆力)+地震荷载；结构重力+二期恒载+预加力+收缩徐变+基础变位影响+中-活载(包括离心力和摇摆力)+断轨力。

结构计算采用西南交大编制的《桥梁结构分析系统》(BSAS)程序对主梁进行施工阶段和运营阶段的纵向平面静力分析计算。三维实体单元分析采用MIDAS结构分析软件。全桥静力计算共划分30个单元。

1.3主要计算结果(表1～表4)

表1　主梁控制截面正应力　MPa

表2　主梁控制截面正截面强度　MPa

表3　主梁控制截面正截面抗裂安全系数

表4　静活载作用下主梁控制截面变形

过运梁车阶段最大剪应力为1.29 MPa，截面抗弯检算满足要求。道床板横向静力分析、腹板吊拉力分析采用三维实体模型，利用实体模型的应力进行积分求解内力，再根据内力进行配筋检算。

2槽形梁动力仿真分析

2.1耦合动力学模型简述

车辆对线路的动力影响问题，不仅仅是车辆或轨道某一系统的孤立问题，而是这两个系统相互关联的耦合问题，因而必须从车辆-轨道整体系统的角度来考察、分析问题[7]。简而言之，车辆-轨道耦合动力学理论的基本思想是将车辆系统和轨道系统视为一个相互作用、相互耦合的总体大系统，而将轮轨关系作为联接这两个子系统的纽带[8]。我国铁路桥梁中，槽形梁使用较少，对于车辆通过槽形梁时的动力仿真研究更少。根据新建敦格铁路阳关2号中桥1-32 m槽形梁的运营条件，建立了列车与轨道耦合动力学模型。

列车通过槽形梁时，其行车安全性与舒适性如何？轮轨动态相互作用是否存在异常？线形及线路参数的动态匹配能否满足要求？运用现代机车车辆-轨道耦合动力学理论，研究列车通过时的轮轨相互作用性能，并进行动态安全评估分析，以期为工程实际提供理论指导和技术支撑，也为敦格铁路安全运营提供理论依据和科学参考。

2.2仿真计算条件(表5～表8)

表5　刚度及阻尼取值

表6　应力验算　MPa

表7　车桥耦合振动分析工况汇总

表8　车-桥动力仿真分析评判结果汇总

车桥耦合分析采用动力学仿真软件TTISIM(Train/Track Interaction SIMulation)[9]。本次动力仿真分析选用的机车车辆类型如下：DF4内燃机车牵引C62重车；SS8牵引准高速双层客车；DF11内燃机车牵引25 t直达列车。

计算时，客货列车速度分别选用120～180 km/h及50～80 km/h。

根据分析计算，本桥自振频率为5.83 Hz，由于本桥为1-32 m槽形梁，两侧桥台刚度较大，无共振现象发生，自振频率与行车速度无关。随着速度的提高，车体横向振动加速度先减小，然后又增加；从垂向振动来看，随着速度提高，垂向振动加速度增加；运营阶段顺桥向位移为6 mm，横桥向4 mm。

在本梁的设计过程中，运用现代动力学仿真手段，计算了车辆通过时的轮轨动态性能，并进行了评估分析。研究结果表明：选用的3种机车以一定速度通过时，各项动力学性能指标均满足安全限值与舒适性要求。这也为槽形梁上的车桥耦合分析填补了空白。槽形梁在竖向荷载作用下，空间受力表现在以下几个方面，首先是道床板的剪力滞作用；其次是底板的双向弯曲、扭转及剪切作用；同时可以得出支承情况对主梁的受力影响不大，主梁翼缘在竖向荷载作用下产生向内

侧倾斜的水平位移；有必要的情况下设置端横梁能够有效增加槽形梁端部的横向刚度，减小底板的横向弯矩及槽形梁支点截面上的横向挠度。

3结语

槽形梁具有建筑高度低、降噪效果好、断面空间利用率高、两侧主梁腹板能防止出轨车辆倾覆下落、施工形式多样、外形美观、视觉效果好等优点。敦格铁路阳关2号中桥采用1-32 m槽形梁，利用其建筑高度低的优点成功解决了梁底距离天然气管道距离不足的问题，产生了良好的经济效益。依托已施工的1-32 m槽形梁，对其断面设计的合理性及车桥耦合状况等进行了详细的分析，结构计算结果及各项指标均满足相关规范要求，结构设计合理。该梁的设计、施工及今后的运营能够为槽形梁在我国铁路建设中的推广具有较好的借鉴意义。

参考文献：

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[4]缪文辉，何涛.兰新二线风区槽形梁设计分析[J].铁道标准设计，2010(11):44-47.

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[6]中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

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Research on Structural Design and Dynamic Simulation of Railway Channel Girders with Simple SupportWANG Wen-bo

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Lanzhou 730000, China)

Abstract：Channel girders are rarely used in railway bridges. This paper conducts calculation and analysis of 1-32 m channel girders on Dunhuang-Geermu railway and dynamic simulation and analysis of vehicle/bridge coupling. The results show that the designed section of channel girder groove and the stresses are reasonable, and the vehicle/bridge dynamic characteristics meet the current specifications, which provide theoretical basis and scientific reference for Dunhuang-Geermu railway’s safe operation and for extended application of the channel girder in the railway construction in our country.

Key words：Dunhuang-Geermu railway; Channel girders; Coupling of vehicle and bridge; Dynamic simulation

中图分类号：U448.21+2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.022

文章编号：1004-2954(2015)05-0097-03

作者简介：王文博(1983—)，男，工程师，2006年毕业于兰州交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail：412049210@qq.com。

收稿日期：2014-07-10； 修回日期：2014-08-11