成昆线正交异性板钢桁桥性能计算评估

徐少平

(中铁十三局集团第五工程有限公司，四川成都610500)

上世纪60年代初，我国开始对栓焊铁路钢桁桥进行研制，于1962年和1964年分别建成雏荣(跨度44.62 m)和浪江(跨度61.44 m)两座试点桥［1］。成昆铁路大量采用栓焊钢桥新技术，取得了显著地效果，在设计、制造和科学试验方面，都有很大的改进和发展。特别是在性能优异的正交异性板钢桁桥方面，进行了大量的理论和试验研究。

成昆线上的很多钢桁桥已有40来年的历史了。随着铁路交通的发展，还在运营中的钢桁桥，特别是用于曲线线路上的32 m跨正交异性板钢桁桥，是否还能满足现行规范铁路标准荷载要求，有待新的评估。成昆线钢桁桥设计荷载为:中—22级［2］，而现行规范规定的铁路标准荷载为:中—活载，因此，当时建成的钢桥的性能需进行新的评估。本文按现行规范规定荷载对成昆线上的32 m跨正交异性板钢桁桥进行了静动力计算，以评估此类桥梁在现时运营中的性能。

1 正交异性板钢桁桥简介

成昆线上有较多的32 m跨上承式钢桁桥，按桥面形式分明桥面及道蹅桥面(正交异性板桥面)两种形式。32 m跨正交异性板桥面钢桁桥节间长3.2 m，主桁中心距2m，主桁高度3.2m。正交异性板桥面钢桁桥整体性好，杆件轻巧，架设简易，受力条件好，节省钢材及抗扭刚度大等诸多优点，使得它在成昆线上被大量应用，此类桥多用于曲线半径R≥450 m的线路上，活载对此桥的作用存在一定的偏心距。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

分别采用ANSYS和MIDAS两种有限元软件建模分析，如图1、图2所示。用通用有限元软件ANSYS建模时，采用Shell63单元建立全桥模型。用MIDAS建模时，采用梁单元，由于桥面为正交异性板桥面，需将其在纵横方向上进行简化处理，这里按梁格法［3］进行等效建模。用梁格法分析时，要将原型结构用一等效梁格代替。所谓等效，是指两种结构承受相同的荷载时，产生的结构变形是一样的，而且任一梁格内的内力等于该梁所代表的原型结构相应部分的截面应力的合力，也就是假定把上部结构中每一区域的抗弯和抗扭刚度集中到临近的梁格内，即两种结构在位移和内力上相等效。材料参数如表1所示。

?

按照设计要求，二期恒载采用12.4 kN/m2，横桥向宽3.8 m范围内均匀分布。

图1 ANSYS有限元模型

2.2 有限元模型的合理性验算

与试验实测结果进行对比来验证ANSYS模型的正确性。1976年对摸鱼蚱大桥(32 m跨正交异性板钢桁桥)进行了鉴定加载试验，测点布置如图3所示。在32 m跨内加12个集中力，大小都为210 kN。现将有限元建模计算结果与试验结果进行对比，模型及加载位置如图4所示。计算和试验结果见表2。

图2 MIDAS有限元模型

图3 试验实测及有限元验算点布置

图4 验算模型及集中力加载布置

?

由表2可知，有限元计算与手工计算及试验实测结果［1］对比非常吻合，说明ANSYS模型非常接近实际状态，其计算结果可信。

3 最大挠度计算

考虑到列车行驶时的安全性和舒适性，铁路桥在活载作用下的最大挠度需满足相关规范要求。《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1－2005)［4］中第5.1.2条规定简支钢桁桥的挠度容许值为:L/900。

用MIDAS软件建模，以提取位移最不利活载位置，如图5所示。把相应的荷载布置方式布置于ANSYS计算模型中进行计算分析，从而得到比较精确的最大位移量，如图6所示。计算时，活载按照《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2－2005)［5］规定采用中活载，取运营动力系数为1.248。由于此桥在曲线线路上，因此，活载对此桥的作用存在一定的偏心距，经等效计算，偏心距取20 cm。

图5 活载最不利位置

通过计算，得到跨中位置处的最大竖向位移为30.412 mm，位移验算应该采用主桁跨中最大位移30.412 mm作为验算值。30.412 mm＜L/900=35.56 mm。因此，挠度满足要求。

图6 最大竖向位移ANSYS计算结果

4 主桁杆件强度及稳定验算

图7为半跨正交异性桥面钢桁桥，利用MIDAS软件的梁单元最不利荷载追踪功能对跨中处的下弦杆、斜腹杆及竖杆进行强度验算，计算结果如表3所示。

图7 主桁杆件示意图

上述计算结果均小于容许应力［σ］=200 MPa，满足《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2－2005)［3］第4.2.1条要求，说明强度满足要求，且安全储备较大。

对于正交异性桥面钢桁桥，上弦杆和拉杆均为受拉构件，不存在稳定问题，其他的压杆需作稳定验算。由于桁桥的对称性，只须验算四分之一的相应的杆件。各杆件的轴力通过MIDAS计算模型算得。根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1－2005)［5］中的第4.2.2条规定进行验算，结果如表4所示。

?

?

从表4得知，杆件F2F3不满足稳定要求，其他杆件均满足稳定要求。计算结果表明，由于20世纪60年代还无法对正交异性桥面钢桁桥进行精确计算，导致杆件F2F3稳定计算结果与精确解存在较大差别。

5 动力特性分析

对此桥进行动力特性分析有助于了解正交异性桥面钢桁桥的动力性能。用ANSYS建立钢桥模型并提取它的自振频率和振型，如表5所示。前三阶振型图8所示。

?

表5表明，成昆线32 m正交异性板钢桁桥的动力性能优异，特别是在扭转方面，其频率达到5.49，说明扭转动力特性优异，这与其用于一定半径的曲线线路上相匹配。

图8 前三阶振型图

6 结论

利用ANSYS和MIDAS两种有限元软件，按照现行规范铁路标准荷载对成昆线上的32 m跨正交异性板钢桁桥进行静动力性能计算评估后得出如下结论。

(1)在现行铁路标准活载的作用下，竖向位移满足要求，其竖向刚度较大。

(2)在现行铁路标准活载的作用下，各杆件强度满足要求，且还具备较大的安全储备。

(3)在现行铁路标准活载的作用下，大部分杆件能满足稳定性要求，但是个别竖杆不能满足现行规范的稳定性要求。

(4)32 m正交异性板钢桁桥的动力性能优异，特别是在扭转方面。

［1］潘际炎．栓焊钢桥的研究［M］．中国铁道出版社，1983

［2］辛学忠，张玉玲．铁路桥梁设计活载标准修订研究［J］．铁道标准设计，2006(4):1－4

［3］范立础．桥梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2003

［4］TB 10002.1－2005铁路桥涵设计基本规范［S］

［5］TB 10002.2－2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］