D型施工便梁动态特性的有限元分析2005

・桥　梁・　Ｄ型施工便梁动态特性的有限元分析　郭相武　（中铁八局集团有限公司，成都６１００８１）　摘要：Ｄ型施工便梁常作为临时结构加固既有线路，其自振　特性以及和机车、车辆动力荷栽的联合振动特性是判断结构运　营状况和承载特性的重要指标。本文运用有限元方法，计算Ｄ　型施工便梁在动荷载作用下的动挠度和自振频率，分析和评估　便梁的刚度和安全性，并将计算值和实测值进行对比。　．．．一　一　关键词：施工便梁；动态特性；有限元；模态分析　中图分类号：Ｕ４４ｌ　．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—２９５４（２００５）０７—００５７—０３　图１　便梁加固线路平面布置示意　１　课题研究背景　便梁支墩动态参数的变化对列车运行安全的影响，为　新建赣龙（江西赣州至福建龙岩）铁路与京九铁　路４Ｏ。斜交（图１），该处京九铁路路基处于半填半挖地　列车通过便梁时速度提高至６０　ｋｍ／ｈ及以上提供　依据。　监　京九铁路　段，右侧为ｌ０余米的高边坡，左侧为２０余ｍ的山坡，　线路位于曲线半径为６００　ｍ的缓和曲线上，线间距　４．Ｏ３～４．４８　ｍ，曲线超高０．０～９０．０　ｍｍ；赣龙铁路位　于直线地段，设计采用框架下穿京九铁路，截面尺寸为　８．２　ｍ　Ｘ　９．５　ｍ，全长４４．０９　ｍ，共分４节预制，采用顶拉　法施工。为了确保京九线的行车安全，施工前采用４　图２立面布置（单位：ｍ）　组Ｄ１６和２组Ｄ２４型施工便梁加固京九铁路线路。　按照《铁路工务安全规则》规定，列车通过施工便　梁时限速４５　ｋｍ／ｈ行驶，采用Ｄ型施工便梁加固京九　铁路（图２），施工难度大，限速时间较长，框架涵顶进　２有限元计算模型　２．１　Ｄ型施工便梁的组成及截面尺寸　Ｄ型施工便梁由纵梁、横梁、斜杆及联结配件组　成。横梁为工字形截面兼作轨枕，中到中间距６７０　ｍｍ，截面尺寸见图３（ａ）。纵梁为箱形截面，截面尺寸　见图３（ｂ、Ｃ）。纵梁与横梁的位置关系见图４。　２．２有限元计算模型的建立　有限元分析采用大型通用结构分析软件ＡＮＳＹＳ。　施工可能危及京九铁路的运行安全，针对京九铁路的　行车安全进行了多次专题研究。为最大限度减少施工　对运输的干扰，提出了“双６Ｏ”的要求，即６０　ｄ施工工　期和京九铁路限速不低于６０　ｋｍ／ｈ。为此，针对设定　工况下的限速条件，有必要分析研究轨道结构、便梁和　收稿日期：２００５一Ｏｌ一２ｌ　作者简介：郭相武（１９６５一），男，高级工程师，１９８８年毕业于西南交通　大学铁道工程专业，工学学士。　根据以上施工便梁的布置，纵梁的两端置于混凝土桩　顶，桩的外露长度随着便梁下部土体的开挖而变化。　实测桩顶的竖向位移仅仅为０．１　ｍｍ，在ＡＮＡＳＹＳ分析　参考文献：　【１】　交通部第一公路工程总公司主编．公路施工手册桥涵下册（第２　版）［Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９９９．　４　施工体会　这次在缓和曲线段成功将Ｄ２４型低高度施工便　梁用于线路加固，通过便梁支墩结构形式优化，大大降　低了施工成本，减少了线路封锁次数（由原计划的１６　次减少到实际的６次），并缩短了列车慢行的时间（由　原计划的至少３个半月缩短到实际的５５　ｄ），取得了良　好的经济效益和社会效益，为铁路缓和曲线段架设Ｄ　型施工便梁积累了一定的施工经验。　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００５（　）　［２】　天津市市政工程局主编．道路桥梁工程施工手册［Ｍ】．北京：中国　建筑工业出版社，２００３．　［３】　廖东阳．铁路下采用ＤＩ６型便梁顶进１４　ｍ宽箱身的可行性分析　［Ｊ】．铁道标准设计，２００３（９）．　［４】　朱兆斌．Ｄ型便梁在小半径曲线及小线间距区段的应用与计算　［Ｊ】．铁道标准设计，２００４（４）．　５７　维普资讯 http://www.cqvip.com

桥　梁・　郭相武一Ｄ型施工便梁动态特性的有限元分析　・ｌ　２　Ｊ　ｌ　墨　Ｊ　（ａ）横梁截面　ｆｂ）Ｄ１６￣梁截面　图３便梁截面尺寸（单位：ｍｍ）　图４纵梁与横梁位置关系示恿　中可以忽略桩顶的竖向位移。因此，便梁纵梁两端可　以简化为简支支座，即一端约束　、　、　三个方向　的线位移，而另一端约束ｕ　、ｕ　两个方向的线位移。　纵梁长度分别按２４．５　ｍ（以下用Ｄ２４表示）和１６．４　ｍ　（以下用Ｄ１６表示）两种情况考虑。箱形纵梁和“工”　字形横梁采用螺栓连接，可以认为刚接。在采用结构　分析软件ＡＮＳＹＳ进行分析时，便梁的纵梁和横梁全部　采用Ｂｅａｍ１８８三维梁元进行模拟。Ｂｅａｍ１８８三维梁　元为空间梁单元，每一个节点有６个自由度，包括３个　线位移和３个角位移。为了与实测结果进行对比，不　考虑便梁以及上部钢轨等的自重（在测试中由于便梁　已经架设，自重产生的挠度不包含在内）。便梁结构　为钢材，计算参数取值采用：弹性模量Ｅ：２．０×１０　ＭＰａ，泊松比　＝０．３，钢材密度Ｐ。＝７．８５　ｔ／ｍ　。　３便梁的力学分析　３．１　竖向荷载及其最不利位置的确定　竖向荷载大小分别采用铁路“中一活载”和列车　实际近似荷载，竖向荷载作用的最不利位置采用影响　线的方法确定。实测竖向挠度位置在便梁纵梁的跨　中，应该采用跨中竖向挠度的影响线来确定列车荷载　的最不利位置。　图５为Ｄ１６便梁在“中一活载”的作用下最不利　荷载位置确定的计算简图，图６为Ｄ１６便梁在实际近　似荷载作用下最不利荷载位置确定的计算简图。图７　为Ｄ２４便梁在“中一活载”的作用下最不利荷载位置　确定的计算简图，图８为Ｄ２４便梁在实际近似荷载作　用下最不利荷载位置确定的计算简图。“中一活载”　的大小根据《铁路桥涵设计基本规范》（ＴＢ１０００２．１—　９９）确定。实际近似列车荷载采用机车为ＤＦ　或　ＤＦ．．，轮重为２２５．６　ｋＮ，后面的客车轮重荷载２００　ｋＮ　为近似估计。　３．２横向荷载及其最不利位置的确定　横向荷载大小采用实测值。横向荷载作用的最不　Ｓ８　１里　：　里　：　：　：　芈：　：　图５　Ｄ１６便梁在“中一活载”的普通荷载　作用下最不利位置（单位：ｋＮ・ｍ）　２２５．６　ｋＮ　２２５．６　ｋＮ　２２５．６　ｋＮ　２００　ｋＮ　２００　ｋＮ　４．６ｍ　【ｌ＿８ｍｔ１．８ｍＬ１．８ｍｔ　５．６ｍ　２．５６咀【０．０４ｍ　图６　Ｄ１６便梁在实际近似荷载作用下　最不利位置（单位：ｋＮ・ｍ）　１．５ｍ　１．５ｍ　图７　Ｄ２４便梁在“中一活载”作用下　最不利位置（单位：ｋＮ・ｍ）　２２５．６　ｋＮ　２２５．６　ｋＮ　２２５．６　ｋＮ　２２５　６　ｋＮ　２２５　６　ｋＮ　２２５．６　ｋＮ　２００　ｋＮ　２００　ｋＮ　１．　ｍ　ｌ　ｍ　２，６ｍ　图８　Ｄ２４便梁在实际近似荷载作用下　最不利位置（单位：ｋＮ・ｍ）　利位置也应该采用影响线的方法确定。实测横向位移　位置在便梁纵梁的跨中，采用跨中横向挠度的影响线　来确定列车横向荷载的最不利位置。图９为Ｄ１６便　梁在实测荷载作用下最不利荷载位置确定的计算简　图，图１０为Ｄ２４便梁在实测荷载作用下最不利荷载　位置确定的计算简图。　６５　ｋＮ　１　Ｒ　ｋＮ　１　ｋＮ　图９　Ｄ１６便梁在实测横向荷载作用下　最不利位置（单位：ｋＮ・ｍ）　３．３　竖向荷载作用下理论分析与实测对比　钢轨将列车荷载传递到工字钢横梁上，视钢轨为　连续梁，视工字钢横梁为连续梁的支座，除第一片横梁　处视为固定铰支座外，其余均视为活动铰支座，由此计　算出传递到工字钢横梁上的荷载。　Ｄ１６和Ｄ２４便梁在“中一活载”和实际近似的列　铁道标准设计ＲＡ儿ＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００５（７，）　维普资讯 http://www.cqvip.com

郭相武一Ｄ型施工便梁动态特性的有限元分析　１．８ｍ　１．８ｍ　２．５６ｍ　图１０　Ｄ２４便梁在实测横向荷载作用下　最不利位置（单位：ｋＮ・ｍ）　车荷载作用下的支座反力和跨中竖向挠度见表１。　表１　ＡＮＡＳＹＳ竖向挠度计算结果　便　纵梁跨中竖向挠度／ｍｍ　冲击　梁　类　“由一　不考虑　实际近　以的荷载　考虑　实测　（１＋　校验系数　系数　竖向挠度　型　活载”　冲击系数　冲击系数　）　Ｄｌ６　２０．０４７　ｌ７．６２３　２４．３２０　ｌ７．１—２２．５　１．３８　０．７０—０．９３　Ｄ２４　３０．９７５　２６．７０４　３５．２４９　２６．７—３３．５　１．３２　０．７６—０．９５　表１中的冲击系数根据测定便梁挠度计算确定。　Ｄ１６便梁的实测竖向挠度在１７．１～２２．５　ｍｍ，Ｄ２４便　梁的实测竖向挠度在２６．７～３３．５　ｍｍ，测得的都是最　大竖向动挠度。“中一活载”没有考虑冲击系数，是由　于该荷载本来较大。可以看出，实际近似荷载作用在　考虑了冲击系数后得到的计算结果与实测结果十分　接近。　３．４横向荷载作用下理论分析与实测对比　便梁在实测的横向荷载作用下跨中横向位移如表　２所示。从表２中可以看出，纵梁跨中横向位移实测　结果与计算结果也十分接近。　表２便梁在横向荷载作用下位移的计算结果　便梁类纵梁跨中横向位移／ｍｍ　横向位移　型　计算　实测最大值　校验系数　Ｄｌ６　５．６０４　５．４３　０．９７　Ｄ２４　６．１９２　５．７４　０．９３　４便梁的模态分析　施工便梁相当于一种桥梁结构，这种桥梁结构的　动力荷载试验是研究桥梁结构的自振特性和车辆动力　荷载与桥梁结构的联合振动特性。测试数据是判断桥　梁结构运营状况和承载特性的重要指标。桥梁结构振　型的振动周期（或频率）与结构的刚度有着确定的关　系。在设计中亦要避免引起桥跨结构共振的强迫振动　振源（如风、车辆等）的频率与桥跨自振频率相合，引　起过大的共振振幅危及桥梁。　某一行车速度下，或所谓接近或达到临界速度时。　结构的动挠度和动应力会达到最大，在设计中这种动　力放大作用是通过冲击系数来进行考虑的。冲击系数　是桥梁设计的重要技术参数，直接影响到桥梁设计的　安全与经济性能，实测并积累有关冲击系数的数据，是　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００５（７，）　・桥　梁・　桥跨结构动力荷载试验的任务之一。在某振动频率下　的过大振幅，会使乘客和行人感觉不舒服，当桥梁结构　自振频率处于某些范围时，外荷载也可能会引起桥梁　结构共振，危机行车安全。　模态分析用于确定便梁的振动特性，获取便梁的　频率与振型，现采用ｒｅｄｕｃｅｄ（Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ）法对便梁进　行模态分析。结构的振型和频率与结构的刚度和质量　分布有关。为了尽量避免强迫振动振源（如风、车辆　等）的频率与结构的自振频率相等，避免引起共振，必　须对结构进行模态分析。本文采用ＡＮＡＳＹＳ计算了　便梁的各阶模态及相应的振型，计算结果如表３所示。　表３便梁的前六阶频率　Ｈｚ　阶次　Ｄ１６便梁　Ｄ２４便梁　ｌ　７．４２Ｏ　９　３．４２２　０　２　ｌ０．９２３　７．２７３　４　３　ｌ４．１２ｌ　９．８６９　４　４　２８．１４８　ｌ０．８５６　５　３０．７８３　２２．８７３　６　３０．７８５　２６．６２５　实测的Ｄ２４便梁的频率３．７２３　６　Ｈｚ，比理论计算　结果偏大８．８％，说明便梁具有良好的刚度。　５　结论　（１）为确保行车安全，便梁施工过程中，进行实时　监控必不可少。它能够及时发现施工过程中存在和出　现的安全隐患，并且针对这些安全隐患，及时采取必要　的补救措施，保障行车安全。　（２）在便梁拆除阶段，轨道支撑结构体系发生变　化，轨下基础刚度一致性差，是事故多发阶段。本试验　检测研究表明该阶段更加应该加强监测，以确保整个　施工过程的安全生产，杜绝事故发生。　（３）通过试验研究和技术分析，及时发现问题，提　出了相应的改进措施，为列车的安全运行提供保障，对　今后类似工程起到一定的借鉴作用。　（４）便梁的竖向挠度在实际荷载作用下，考虑冲　击系数后的计算结果与实测结果十分接近；便梁跨中　横向位移实测结果与计算结果也十分接近，但实测值　比计算值要小。　（５）实测的Ｄ２４施工便梁的频率比理论计算结果　偏大，说明便梁具有足够的刚度。　参考文献：　【１］铁运【１９９９］１４６号部令．铁路工务安全规则【ｓ］．　［２】　朱伯芳．有限元原理与应用［Ｍ】．中国水利水电出版社，２０００．　［３】　曾树谷．铁路轨道动力测试技术［Ｍ】．中国铁道出版社，１９９８．　［４】　陈东巨，朱林根．列车通过低高度施工便梁安全性的理论分析　［Ｊ】．铁道标准设计，２００３（９）．　５９