铁路线路上跨天桥防护屏风荷载有限元分析

（中国铁路北京局集团有限公司，天津 300143）

1 概述

1.1 研究背景及意义

我国高铁事业飞速发展，铁路运输成为维系国民经济运行、促进区域间经济文化交流的重要保障和有效途径。为适应铁路运输需求的变化，铁路既有线路开始逐步对设备进行升级改造，部分二等、三等站在建设时，未设置旅客进出站地下通道，旅客进出站需要横越线路。随着铁路逐步提速运行，安全隐患愈发突出，在近几年的改造中多通过架设人行天桥的方式解决相关问题。

依据相关标准，在人行天桥两侧设置防护屏，防护屏作为建筑附属物，在设计和施工过程中易被忽略。防护屏在风力的作用下使部分构件发生变形，自攻螺钉逐渐松动脱落。由于人行天桥处于铁路线路的上方，掉落的零件会击打列车，造成设备损坏，影响铁路运输安全。

本文运用有限元法，对铁路线路上跨天桥防护屏等附属物进行极限风力作用下的受力分析，探究应力较大部位螺栓的受力状态，以明确防护屏在后期维护管理的重点部位，避免因防护屏病害导致的铁路安全事故。

1.2 研究对象

1.2.1 项目简介

研究对象为天津市某县某站上跨铁路人行天桥，位于天津市某县某火车站内，海拔17 m。跨越既有铁路Ⅰ、Ⅱ道。

天桥与铁路线路正交，本桥平面分别位于直线上，铁路线上方设置防护屏。

桥面横坡为双向1.5%，桥宽8 m，纵坡1.921%。

按照《铁路工程设计防火规范》（TB 10063—2016）的要求，在铁路上部的钢板梁翼缘外侧设置防护屏。防护屏高度≥2.5 m，进行接地处理，防护屏长度为19 600 mm，高度为2 500 mm。

防护屏主体结构竖立柱采用80方钢（L=2 530 mm），共36根；横立柱采用140根60方钢（L=1 420 mm）、10根60方钢（L=920 mm）组成。

填充板材采用实心阳光板共122 m2。

配件为自攻螺栓（带螺母）（M6×25）、专用铝合金压条（80 mm×40 mm×19 600 mm）、橡胶减震块（80 mm×6 mm×80 mm）。

1.2.2 现状

天桥竣工后，受当地频繁的大风天气影响，天桥防护屏的部分铝合金压条出现了端部翘起变形，部分自攻螺栓出现不同程度的松动，少数螺栓脱落。后期维护中采用钻孔安放螺栓进行紧固，但螺栓松动脱落现象仍旧出现，该方法并不理想。研究风荷载作用下防护屏各部位变形规律较为必要，有助于指导后期维护保养工作，为工作人员提供参考依据。

2 风荷载标准值计算

根据《建筑结构荷载设计规范》（GB 50009—2012）的相关要求，确定垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，计算围护结构：

式中：wo——基本风压，取0.5；βgz——高度z处的阵风系数，取1.7；μsl——风荷载局部体型系数，取1.3；μz——风压高度变化系数，取1.0。

3 建立有限元模型

3.1 模型建立过程

通过现场的实际测量和既有设计施工资料，建立合理的有限元分析模型，保证研究其风荷载作用下性能结果的准确性。模型的有效建立需要在软件中建立完善的基础模型，建立恰当的边界条件，选择合理的加载方式。本文建立了防护屏的全尺寸模型，并进行第一次风荷载分析，选取第一次分析结果中较大的若干片单元进行模拟，以明确重点部位和重点部位的受力、变形状态。

3.2 材料参数选取

参考国家相关标准可知，各级别的钢材具有的弹性模量相差较小，在本次模拟中统一规定为206 GPa，钢材泊松比0.3，屈服后的切线模量为E/50。

钢材的屈服强度为期极限强度的0.5～0.7倍，本文取0.5；铝合金弹性模量69 GPa，铝合金泊松比0.33。

在本次模拟中，采用圆柱体简化模型对六角法兰面自攻螺栓进行分析，参考《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》（GB/T 3098.1—2010）和《六角法兰面螺栓小系列》（GB/T 16674.1—2004）的规定，自攻螺栓采用合金钢材质，弹性模量及泊松比分别为206 GPa、0.3。

3.3 整体建模

3.3.1 接触及边界条件

ANSYS 19.0软件中可模拟接触的类型有绑定接触、不分离接触、无摩擦接触、粗糙接触、有摩擦接触。

接触类型的选择较为重要，在非线性有限元分析中，接触是一种状态非线性行为，会对分析结果产生影响。在防护屏系统中涉及的主要接触是螺栓与铝合金板的接触、铝合金板与阳光板与钢型材的接触。

由相关文献的分析结果可知，本次分析中，将螺栓与铝合金板的接触类型设定为绑定接触，铝合金板与阳光板设定为摩擦接触，可取得较快的分析速度，且不会有过大的误差。

3.3.2 加载方式

防护屏本身的受力主要是风荷载，根据相关文献中不同的模拟情况对比结果，可采用施加均布荷载，模拟其受到的风荷载作用。

4 有限元结果分析

4.1 整体应力分析

总等效应力如图1所示。

图1 总等效应力云图

由图1可知，在风荷载作用下，模型最大等效应力值约为0.6 MPa，模型主体应力约为0.2 MPa，应力主要集中在阳光板和铝合金压条端部位置。

4.2 单元应力分析

为较好地观察结构受力情况，为后期的检修工作提供参考，在模拟过程中选取两片防护屏基础结构作为一个单元，进而提取计算结果。

单位应力如图2所示。

图2 单元应力图

由图2可知，在风荷载作用下，铝合金压条的最大等效应力值约为0.2 MPa，应力较大位置集中在防护屏横向铝合金压条的中部及端部，与实际情况中的破坏松动发生位置基本相符。

端部自攻螺栓周围的铝合金压条受力不均匀，导致引发的变形不均匀，在风荷载的往复作用下加剧自攻螺栓的风致疲劳。

铝合金压条端应力如图3所示。

图3 铝合金压条端部应力云图

5 结语

通过对防护屏钢架、阳光板、铝合金压条、自攻螺栓进行有限元模拟分析，得到风荷载作用下的极限应力数值及分布情况，并将其与实际作用情况进行对比。风荷载作用导致的风致疲劳是出现螺栓松动、铝合金压条不规则变形的主要原因。可根据受力云图和病害统计资料，安排对铝合金压条端部自攻螺栓的检查，建议增大自攻螺栓扭矩，避免此类病害现象发生的，确保设备安全。