李昊

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300142）

小线间距条件下D型便梁改造与有限元分析

李昊

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300142）

D型施工便梁的最大优点是桥涵施工时可保证既有铁路的通车条件，缺点是受铁路线间距制约。为保证既有铁路的通车条件，在线间距过小时需要对便梁进行改造设计。通过对既有施工便梁上的牛腿S12进行更换，换装成S3构件，减小了钢轨顶到施工梁顶的距离，满足了铁路建筑限界的要求。为了满足改造后便梁结构刚度及稳定性要求，特在纵梁两端、L／4、L／2、3L／4处增加5道横梁，采取局部加厚横梁梁端下翼板尺寸的方法满足横梁的强度要求。通过建立便梁空间杆系有限元模型、实体有限元模型，对施工过程中的最不利工况进行仿真分析。计算结果表明，改造后的D型施工便梁结构能够满足列车通过时强度、刚度和稳定性的要求。

D型施工便梁；线间距；横梁加强；有限元

1 工程概况

桥址位于呼和浩特市东影北路与既有集包铁路（呼东联络线）及改集包线交汇处，交叉里程K650+148.57，道路中心与铁路的夹角为90°。改集包铁路为国铁I级，双线电气化铁路，桥址处线间距最小4.1 m，东西走向，直线区段。道路与铁路交叉处设计为（1-6.0 m）+（1-16.0 m）+（1-6.0 m）三孔分离式框构，顶进施工。为保证既有铁路的通车条件，施工过程中需要对改集包左、右线进行线路加固，加固体系采用16 m+24 m+16 m D型施工便梁。图1为框构平面布置示意图。

图1 框构平面布置示意图（单位：cm）

2 项目方案研究

该桥线路加固系统设计为16 m+24 m+16 m D型施工便梁，由于工程所处位置线间距较小（仅为4.1 m），定型24 m D型施工便梁不能满足《普速铁路工务安全规则》[9]附表中规定的直线段双线线间距4.51 m≤a＜4.81 m的要求，施工时不满足“建限-1”的要求。在线路加固方案的选取上曾提出临时便线绕行方案和纵横梁加固方案，后经会议论证：从工程经济性、可操作性上均不如D型施工便梁。故需要对24 mD型施工便梁进行改造，并进行结构的强度、刚度和稳定性检算。

3 D型施工便梁的改造方案

首先根据现场实际情况和D型施工便梁使用说明书，对原施工便梁上牛腿S12进行更换，更换为S3构件，下牛腿S12保留。减小了钢轨到施工梁顶距离，满足了“建限-1”的要求。安装牛腿S12时和安装牛腿S3时轨顶到梁顶的距离参数见表1，改造前后便梁与限界关系见图2、图3。

表1 D梁改造前后梁体与限界关系对比表

图2 安装上牛腿S12时便梁与限界关系图（单位：mm）

图3 上牛腿更换为S3时便梁与限界关系图（单位：mm）

由于横梁上提导致结构整体的横向刚度减弱，为了增加结构的整体性和稳定性，特在纵梁两侧梁端、1/4跨、1/2跨、3/4跨增加5道横梁，加固后断面关系见图4。

图4 D型便梁增加加劲横梁布置图（单位：mm）

4 D型便梁的检算

4.1 模型的建立

列车通过D梁时，列车荷载通过钢轨传递给横梁，再通过横梁传递给纵梁。采用MIDAS CIVIL 2015有限元分析软件建立便梁的空间有限元模型（见图5），分析便梁在列车活载作用下的受力状态。车道用虚拟梁单元模拟，纵、横梁均采用空间梁单元模拟。上横梁与纵梁之间采用刚性连接模拟，并释放面外的转角约束；下加劲横梁与纵梁之间、两段斜杆间均采用铰接模拟。梁顶与梁底节点间采用刚性连接（平截面假定），纵梁与支点桩之间的支撑按照简支梁的边界条件进行模拟。

图5 24 m D型便梁整体模型

4.2 计算荷载

（1）自重：钢容重取78.5 kN/m3。

（2）二期恒载：包含轨道、扣件、枕木等，荷载通过轨道传递到横梁对应节点上，平均到每处节点荷载位1 657 N。

（4）制动力：制动力按照列车竖向静活载的10%计算。

4.3 便梁的组成及截面尺寸

D型施工便梁由纵梁、横梁、上下牛腿和节点板组成。纵、横梁采用Q345qD钢材，其余采用Q235钢材。纵梁长度为24 500 mm，横向间距为4 460 mm；横梁长度为3 960 mm，纵向间距为670 mm。各部件结构截面尺寸如图6所示。

图6 24 m D型便梁各部件截面尺寸（单位：mm）

4.4 主要设计指标

4.4.1 强度验算指标

依据《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002. 5-2005）[7]，需要对便梁的强度进行验算。对应D型便梁，第一层横梁及纵梁为纯弯构件、加劲横梁为中心受拉构件。应按照规范中公式（4.2.1-2）和（4.2.1-6）、（4.2.1-7）分别检算构件的法向应力、剪应力和换算应力。

Q345qD钢基本容许应力为：轴向应力〔σ〕= 200 MPa；弯曲应力〔σw〕=210 MPa；剪应力〔τ〕= 120 MPa。考虑到该结构为临时结构，按照《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.5-2005）3.2.8规定[7]，应考虑容许应力提高系数1.2，对应提高后轴向应力〔σ〕=240 MPa，弯曲应力〔σw〕=252 MPa，剪应力〔τ〕=144 MPa。

4.4.2 构件的总体稳定

依据《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.5-2005）中4.2.2条[7]验算横梁和纵梁的总稳定性。

4.4.3 梁体挠度

按照《普速铁路工务安全规则》（铁总运【2014】272号）附表3-3要求[9]，梁体在静活载下的挠度不得大于跨度的1/400。

4.5 检算结果

4.5.1 纵、横梁

通过建立的空间杆系有限元分析，提取主要计算结果，详见表2、图7～图9得出如下结论：

表2 D型便梁主要构件检算结果

图7 D型便梁纵梁弯曲正应力包络图（单位：MPa）

图8 D型便梁横梁弯曲正应力包络图（单位：MPa）

图9 D型便梁在静活载作用下整体竖向位移包络图（单位：mm）

（1）纵梁最大弯曲应力以及挠度发生在跨中位置处，剪应力最大值发生在纵梁梁端位置。

（2）横梁最大弯曲应力和剪应力发生在梁端位置，挠度最大值发生在跨中位置处。

（3）由于荷载的横向偏载，造成横梁临近线间侧端部换算应力超出容许值，需要对横梁进行局部加强。

4.5.2 牛腿

24 m D型施工便梁横向间距为670 mm，每孔便梁共有37根横梁，纵横梁通过牛腿及节点板栓接。通过计算，节点连接处剪力最大值为177.5 kN，弯矩最大值为134.7 kN·m。纵横梁连接处牛腿的受力形式为螺栓群连接的弯矩和剪力共同作用下的受剪构件，每个螺栓受力均为剪力，应按下式验算螺栓应力：

计算结果表明：距离形心最远处螺栓剪力为13 055.88 N，小于螺栓承载力[N]bv=24 640 N，满足规范要求。

4.6 横梁加强及加强后实体有限元分析

由表2可知，横梁梁端处的换算应力不满足规范要求，需要对横梁梁端下翼板进行加强处理。在距离横梁梁端40 cm范围内的下翼缘板内侧焊接10 mm厚与横梁同材质钢板。

对横梁加强后的D型便梁，建立空间杆系有限元模型、实体有限元模型进行仿真分析。

实体有限元分析采用的软件为MIDAS FEA，加载方式为空间杆系有限元模型的杆件内力。牛腿与结点板的连接，采用铰接模拟；横梁与牛腿的连接情况较复杂，模型采用螺栓的简易模型，分别在螺栓与横梁和牛腿之间建立接触面实现荷载的传递。计算模型见图10。

图10 横梁与牛腿FEA实体模型

由图11可知：实体有限元分析横梁梁端最大换算应力发生在横梁与牛腿结合交界处，最大值250.65MPa；经空间杆系有限元分析最大值为240 MPa，均小于容许值252 MPa。满足规范要求。

图11 横梁与牛腿叠合处主应力云图（单位：MPa）

5 结论

（1）为了增加D型便梁的整体和局部稳定性，建议在纵梁两侧梁端、1/4跨、1/2跨、3/4跨增加5道横梁。

（2）为满足“建限-1”的要求，建议将施工便梁上牛腿S12更换为S3构件。

（3）为保证横梁受力满足规范要求，建议在距离横梁梁端40 cm范围内的下翼缘板内侧焊接10 mm厚与横梁同材质钢板，焊缝采用10 mm四周角焊缝。

（4）从加强后的横梁计算结果可以看出，横梁在主力作用下换算应力已接近容许值，综合考虑现场安装条件和偏载较大等因素，建议选用周转次数较少的便梁进行改造加强，并在厂家的指导下进行安装。

（5）为了保证便梁结构不发生横向移动，建议在支点桩顶部预埋工字钢作为横向限位装置。

（6）从挠度计算结果可以看出梁体挠度已接近容许值，建议在施工过程中加强便梁挠度的观测。

[1]中华人民共和国国务院.铁路安全管理条例（国务院令第639号）[Z].北京：中华人民共和国国务院.

[3]TG/CW 106-2012，铁路营业线施工安全管理办法[S].

[4]TG/CW 106A-2014，铁路营业线施工安全管理办法补充规定[S].

[5]TB10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范[S].

[6]TB10002.5-2005，铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[7]TB10002.5-2005，铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[8]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[9]TG/GW 101-2014，普速铁路工务安全规则[S].

[10]中铁宝桥天元实业发展有限公司.D型施工便梁使用说明书[Z].宝鸡：中铁宝桥天元实业发展有限公司，2010.

表3 挠度验算结果

U445

B

1009-7716（2016）12-0079-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.023

2016-08-29

李昊（1984-），男，河北石家庄人，工学硕士，工程师，从事桥梁设计工作。