特殊結(jié)構(gòu)橋梁線橋空間耦合模型分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8550特殊結(jié)構(gòu)橋梁線橋空間耦合模型分析案例 1260411.1工程概況 1303461.2特殊結(jié)構(gòu)橋梁橋上無縫線路空間耦合模型 5151471.1.1線路縱向阻力模型及參數(shù)選取 558201.1.2斜拉橋上有砟軌道無縫線路空間耦合模型 1070681.1.3拱橋有砟軌道無縫線路空間耦合模型 12190601.3縱向附加力計算方法與原則 14145851.3.1伸縮力計算 1586881.3.2撓曲力計算 1562451.3.3制動力計算 15297351.3.4斷軌力計算 161.1工程概況本文以某混凝土大跨度斜拉橋和連續(xù)鋼桁拱橋?yàn)榉治鰧ο?，其中斜拉橋主橋?yàn)椋?60+320+160）m有砟軌道大跨度混凝土斜拉橋，拱橋主橋?yàn)?120+120+120）m有砟軌道連續(xù)鋼桁拱橋，兩橋全橋均位于直線段上。(1)斜拉橋某鐵路大跨度混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)布置圖如圖1.1所示。主橋采用半漂浮體系大跨度混凝土混凝土斜拉橋，主橋全長640m，左右兩側(cè)為5-32m簡支梁，接100m路基段。斜拉索在橫梁上錨固于梁板上的剛性橫梁，斜拉索錨固點(diǎn)縱向間隔為15m，每座橋或塔的單側(cè)各配設(shè)至少十一根斜拉索。全橋均在直線段以上，橋面上全部設(shè)有砟軌無縫線路。圖1.1斜拉橋結(jié)構(gòu)布置圖斜拉橋一般由主塔墩、斜拉索和主梁構(gòu)成。斜拉索有兩種功能：一個是將主梁的自重及其荷載傳遞給到橋塔，另一個是調(diào)節(jié)主梁和橋塔的內(nèi)力分布和線性(指構(gòu)件的幾何外形和位移)。因此，斜拉索拉力（稱為索力）的大小和分布規(guī)律對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形起著決定性作用。一方面，斜拉橋的拉索對主梁起到了彈性支撐的作用，大大降低了主梁的彎矩。另一方面，斜拉索的水平構(gòu)件對主梁有影響，這對混凝土斜拉橋十分有益，相當(dāng)于對混凝土主梁施加預(yù)載，有利于提高梁的抗裂性，從而充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼和混凝土的材料力學(xué)性能，使其取代鋼斜拉橋以節(jié)省大量型鋼。斜拉索布置及主塔墩如圖1.2所示。圖1.2斜拉橋主塔墩示意圖主梁采用C30混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱式界面，橋面最大跨度為9m，梁高度為4.5m，。主梁跨中橫截面圖如圖2-3所示。圖1.3主梁跨中橫截面圖(2)拱橋以隴海鐵路咸陽渭河大橋?yàn)槔?，全長約800m十一聯(lián)連續(xù)鋼桁架拱橋，是隴海線與咸銅線的交匯處。在進(jìn)行計算時，簡化為三聯(lián)連續(xù)鋼桁架中承式拱橋，結(jié)構(gòu)布置如圖1.4所示。計算跨徑120m，主梁長360m，考慮梁端兩側(cè)路基上線路縱向阻力對鋼軌的約束，在拱橋兩側(cè)建立100m路基段。主橋拱肋采用鋼桁架拱結(jié)構(gòu)，主梁為預(yù)應(yīng)力箱梁橋，全橋位于直線段上，有砟軌道無縫線路。圖1.4拱橋結(jié)構(gòu)布置圖拱肋和吊桿是下承式拱橋的重要組成部分，一般采用鋼桁結(jié)構(gòu)。拱肋、吊桿及立柱墩臺布置圖如圖1.5所示。(a)1/3拱橋拱肋結(jié)構(gòu)立面圖(b)拱橋一拱1/2吊桿結(jié)構(gòu)立面圖(c)立柱墩臺結(jié)構(gòu)立面圖圖1.5拱肋、吊桿及立柱墩臺布置圖1.2特殊結(jié)構(gòu)橋梁橋上無縫線路空間耦合模型以混凝土斜拉橋和連續(xù)鋼桁拱橋?yàn)槔?，基于結(jié)構(gòu)特殊性考慮鋼軌、梁體、斜拉索、拱肋、剛性橫梁、吊桿、橋墩、橋臺及兩側(cè)路基段等結(jié)構(gòu)，基于有限元法建立了(160+320+160)m有砟軌道斜拉橋和(120+120+120)m有砟軌道連續(xù)鋼桁拱橋無縫線路空間模型。為保證計算結(jié)果，在斜拉橋主橋兩側(cè)建立了5-32m簡支梁和100m路基段，在拱橋兩側(cè)建立100m路基段。1.1.1線路縱向阻力模型及參數(shù)選取(1)線路縱向阻力當(dāng)鋼軌溫度變化時，產(chǎn)生影響鋼軌兩端自由伸縮的原因主要來源于線路縱向水平阻力。針對有砟軌道，線路的縱向阻力主要來源于兩個方面，一是道床縱向阻力，二是扣件阻力。縱向阻力決定了鋼軌的附加力?？v向阻力越大，梁和鋼軌的相對位移越小，鋼軌中的縱向附加力越大。我國線路縱向阻力模型采用常阻力模型。有砟軌道采用常阻力扣件時，線路阻力取道床阻力；當(dāng)使用普通扣件時，鋼軌的縱向附加力過大時，可使用小阻力扣件來減小鋼軌的縱向附加力。①道床阻力模型道床縱向阻力是指道床對鐵軌框架縱向水平移動的阻力。道床的縱向阻力受道床材料、粒徑、道床截面、壓實(shí)質(zhì)量、臟污程度、軌架載重因素的直接影響?！惰F路無縫線路設(shè)計規(guī)范》(TB1005-2012)[55]中規(guī)定鋪設(shè)Ⅲ型混凝土軌枕時道床阻力與位移關(guān)系如圖1.6所示，單位道床縱向力取值如下表1.1所示。圖1.6有砟軌道道床縱向阻力表1.1單位道床縱向阻力取值軌枕有載(撓曲力計算)無載(伸縮力計算)Ⅲ型混凝土軌枕(1667根/km)r=11.6xx≤1.0mmr=23.2x＞1.0mmr=7.5xx≤1.0mmr=15x>1.0mm表中，r為扣件縱向阻力，單位為kN/（m·軌），x為鋼軌相對位移。②小扣件阻力模型扣件阻力是指中間扣件和防爬設(shè)備抵抗鋼軌沿軌枕表面縱向位移的阻力。在鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器和大跨度橋梁路段，當(dāng)使用常阻力扣件時，鐵路縱向附加力往往太大，因此可以鋪設(shè)小阻力扣件。小阻力扣件位移與阻力關(guān)系如圖1.7所示，單位小阻力扣件縱向阻力取值如下表1.2所示。圖1.7有砟軌道小阻力扣件縱向阻力表1.2單位小阻力扣件縱向阻力取值軌枕有載(撓曲力計算)無載(伸縮力計算)Ⅲ型混凝土軌枕(1667根/km)r=25xx≤1.0mmr=11.5x＞1.0mmr=16xx≤1.0mmr=8x>1.0mm表中，r為扣件縱向阻力(kN/m·軌)，x為鋼軌相對位移。(2)溫度荷載溫度荷載是影響伸縮力的重要原因。國際鐵路聯(lián)盟UIC分類法，規(guī)定橋梁中的溫度變化一般不超過±35°C。我國《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定梁日溫差可選取表1.3取值。表1.3梁日溫差梁類型有砟軌道日溫差無砟軌道梁年溫差混凝土梁15°C30°C鋼梁25°C-(3)列車荷載本文各案例在計算無縫線路縱向力時，為更好的分析橋上無縫線路列車制動力的作用規(guī)律，橋梁上荷載統(tǒng)一加載中-活載，中-活載計算圖示如圖1.8所示。設(shè)計中采用中-活載加載時，標(biāo)準(zhǔn)活載計算圖示可任意截取，中-活載換算均布靜活載和加載規(guī)定參考《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》(TB10015-2012)。圖1.8中-活載計算圖示橋上無縫線路撓曲力和制動力計算時采用靜荷載，不考慮沖擊系數(shù)。(4)制動荷載UIC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，軌面制動力集度取軌面制動力率(0.25)與設(shè)計荷載(64kN/m)的乘積的80%，加載長度不超過400m。制動力集度q按式(1.1)計算(1.1)式中，q為軌面制動力率，取0.25；Qd為設(shè)計荷載，取80kN/m。根據(jù)式1.1計算所得的制動力大小為16kN/m，該設(shè)計中制動力取值偏于安全。(5)鋼軌參數(shù)鐵路線路中鋼軌是最為關(guān)鍵的部件，成為鐵軌不平順的最直接載體，它也關(guān)乎到軌道結(jié)構(gòu)的安全性，因此鐵路橋上無縫線路設(shè)計對鋼軌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求也非常嚴(yán)格。受列車運(yùn)行速度、列車軸重以及鐵路線路的運(yùn)量等條件限制，鋼軌在不同條件下各種型號的適用范圍有所差異。經(jīng)過多年的無縫線路鋪設(shè)經(jīng)驗(yàn)，我國鐵路正線普遍鋪設(shè)60km/m鋼軌，也作為本文計算案例中所采用的鋼軌類型，其主要計算參數(shù)如表1.4所示。在ANSYS中，beam188單元可以模擬梁單元承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲的特性，因此使用beam188單元模擬60kg/m鋼軌，鋼軌有限元模型如圖1.9所示。表1.4鋼軌主要計算參數(shù)名稱符號單位P60質(zhì)量Mkg/m60.64橫截面積Acm/277.45彈性模量γN/m21.06×1011泊松比E-0.3慣性矩Icm43217密度Pkg/m27800熱膨脹系數(shù)αm·m/°C1.18×10-6圖2-9鋼軌有限元模型(6)軌枕我國鐵路橋上普遍采用Ⅱ型或Ⅲ型橋枕，本文案例中各橋梁的軌枕按Ⅲ型混凝土軌枕鋪設(shè)計算，Ⅲ型混凝土軌枕參數(shù)如表1.5所示。表1.5軌枕主要計算參數(shù)軌枕類型主筋數(shù)量混凝土等級截面高度(cm)截面寬度(cm)底面積(cm2)質(zhì)量(kg)長度(cm)軌下中間端部軌下中間Ⅲ10Φ78Φ7.8C6023.018.53230.0287720320260(7)約束單元無縫線路鋪設(shè)于有砟軌道時，由于道床的縱向阻力比扣件阻力小，因此一般情況下忽略了橋梁與鋼軌之間的相互移動的因素從而優(yōu)化了結(jié)構(gòu)模型，所以，在有限元模擬中的鋼軌與軌枕之間的扣件約束、軌枕與橋梁結(jié)構(gòu)間的道床約束，都通過非線性彈簧建模，COMBIN39是一個帶有非線形功能的單向單元，可對單位面積提供廣義的力--變形曲線[56]。在一維、二維和三維的應(yīng)用中，本單位都具備軸向或反轉(zhuǎn)的功用。軸流式選擇(longitudinal)代表軸向拉壓單位，各個節(jié)點(diǎn)具備三種自由度：沿節(jié)點(diǎn)座標(biāo)系X，Y，Z的平動，不顧及彎曲和扭轉(zhuǎn)。扭力選擇(torsional)代表純向扭力單位，各個節(jié)點(diǎn)具備三種自由度：繞節(jié)點(diǎn)座標(biāo)軸X，Y，Z的扭力，不顧及扭曲和軸向荷載。Combin39單元如圖1.10所示。圖1.10Combin39單元幾何特性(8)梁體橋梁梁體一般采用C30混凝土結(jié)構(gòu)，梁體采用實(shí)體單元Solid45單元模擬，梁體模型如圖1.11所示。圖1.11梁體有限元模型(9)其他結(jié)構(gòu)研究模型中橋塔和橋墩采用beam189單元模擬，拉索和吊桿采用link10桿單元模擬，拱肋和剛性梁采用beam188單元模擬。1.1.2斜拉橋上有砟軌道無縫線路空間耦合模型本文所分析的斜拉橋主橋跨徑布置為160m+320m+160m，主橋兩側(cè)為5-32m簡支梁，橋體部分主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，斜拉橋主橋?yàn)榘肫◇w系，塔梁交接處及各輔助墩處無縱向約束。(1)斜拉橋線橋墩一體化模型斜拉橋線橋墩一體化計算模型如圖1.12所示。在此模型基礎(chǔ)上，假定主塔墩基礎(chǔ)為固定連接。假設(shè)斜拉橋主塔墩之間的接觸點(diǎn)位于主塔墩中心點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際考察斜拉橋主梁之間的接觸點(diǎn)。在計算模型中，通過節(jié)點(diǎn)耦合產(chǎn)生剛性區(qū)域，斜拉索與主梁相連。結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)：鋼軌通過縱向阻力線與主梁上緣的縱向相互作用。在計算不同工況下，當(dāng)線路縱向阻力作用在鋼軌上時，鋼軌會產(chǎn)生附加力。當(dāng)縱向阻力線作用在主梁上時，通過斜拉索將力傳遞給主塔墩，引起主塔墩的應(yīng)力和位移。軌道、主梁、斜拉索、剛性梁和主塔墩是一個相互耦合的系統(tǒng)。通過平衡解可以得到各單元的力和位移分布。圖1.12斜拉橋線橋墩一體化計算模型計算模型中，斜拉橋主梁兩端的橋梁計算段設(shè)置為5-32m簡支梁，設(shè)置為大跨度混凝土結(jié)構(gòu)斜拉橋上無縫線路的計算，采用半漂浮體體系，主梁的截面結(jié)構(gòu)采用混凝土箱梁，需通過簡化按平面梁單元來考慮。斜拉索的布置在計算模型中可方便的變動；剛性橫梁布置在主梁上，與斜拉索固結(jié)；模型中主塔墩結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，需要通過截面數(shù)據(jù)的輸入控制主塔墩的剛度等參數(shù)；在該模型中，軌道類型、軌道結(jié)構(gòu)和阻力類型等參數(shù)都是可變的；輔助墩的設(shè)置都可以考慮。模型計算中還需補(bǔ)充如下假定：①主塔墩底部為固定連接，不考慮基礎(chǔ)位移②塔墩主要只考慮縱向剛度，不考慮橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。③假定斜拉橋主塔墩之間的接觸點(diǎn)位于主塔墩中心線，根據(jù)實(shí)際情況考慮斜拉橋主梁之間的接觸點(diǎn)。在計算模型中，通過節(jié)點(diǎn)間的耦合產(chǎn)生了剛度區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)了斜拉索與主梁的連接。④如果有輔助墩和橋臺，則假定它們足夠大，以減小輔助墩中主梁的垂直位移。(2)斜拉橋有限元模型采用梁單元模擬主梁、主塔、橋墩、鋼軌和剛性梁，應(yīng)用梁單元模擬主梁、主塔、橋墩、鋼軌和剛性橫梁。采用空間桿單元對斜拉索進(jìn)行模擬，將其設(shè)置為能夠承載張力且無法承載壓力的構(gòu)件，通過Ernst公式調(diào)整彈性模量，以此考慮斜拉索的垂度效果?？紤]到相鄰結(jié)構(gòu)對主橋的影響，模型包括斜拉橋主橋和100m基礎(chǔ)段及兩邊5-32m簡支梁段。根據(jù)軌-枕-梁之間的相對位移和相互作用特點(diǎn)，在建立小阻力扣件模型時，在鋼軌節(jié)點(diǎn)與軌枕節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置彈簧單元，模擬扣件阻力。根據(jù)以上假設(shè)和分析，用有限元軟件ANSYS建立的斜拉橋上無縫線路空間耦合模型如圖1.13所示。圖1.13斜拉橋上無縫線路空間耦合模型1.1.3拱橋有砟軌道無縫線路空間耦合模型(1)拱橋線橋墩一體化模型拱橋線橋墩一體化計算模型如圖1.14所示。主橋跨徑布置為120m+120m+120m。這種大跨徑鐵路橋梁體系的特點(diǎn)是：鋼軌通過線路的縱向阻力沿縱向與主梁上緣相互作用。主梁通過立柱或墩吊桿將縱向力和豎向力傳遞給拱肋。鋼軌、主梁、懸臂梁、剛性梁、拱肋是一個耦合的相互作用系統(tǒng)。在不同的計算條件下，每一部分的應(yīng)力和變形都有一個獨(dú)特的平衡點(diǎn)。找到平衡點(diǎn)可以得到各部分的應(yīng)力和位移。圖1.14三聯(lián)拱橋線橋墩一體化計算模型計算模型中，主拱兩端的計算段設(shè)置為100m路基段，設(shè)置為連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)拱橋上無縫線路的計算。吊桿連接的主梁為三跨梁體，吊桿與主梁的連接位置在主梁梁面，與設(shè)置在主梁上的剛性橫梁固結(jié)；拱橋兩端橋梁計算段墩臺的結(jié)構(gòu)型式及其與主橋的連接反應(yīng)在安裝支座處墩臺的縱向水平剛性上，主拱區(qū)域內(nèi)的立柱墩臺或吊桿的剛性根據(jù)相關(guān)單位截面尺寸參數(shù)輸入來表示；模型中拱肋截面的簡化同上為梁單元；拱肋和拱軸線采取兩次拋物線形狀；在該模型中，軌道類型、軌道結(jié)構(gòu)和阻力類型等參數(shù)是可變的。模型計算中還需補(bǔ)充如下假定：①拱腳與基礎(chǔ)的連接不考慮地基位移；②拱肋結(jié)構(gòu)不考慮側(cè)向剛度，但僅考慮豎向剛度。③拱肋的柱形橋墩和橋臺僅考慮縱向剛度，即垂直于線路方向的截面剛度；④吊桿和拱肋之間的連接節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為位于拱軸線（圖1.14顯示了吊桿與拱肋的連接方式）。(2)拱橋有限元模型結(jié)果表明：鋼軌縱向阻力與混凝土梁在縱向上相互作用，支撐墩與梁底緣連接傳遞縱向力。在拱肋的上邊緣加強(qiáng)拱肋上的柱。在有限元建模軟件中，采用桿單元、線單元和吊架單元，采用非線性彈簧模擬縱向阻力，采用線性彈簧模擬路面縱向和橫向剛度，采用梁單元BEAM188可選用拱肋、梁體和剛性構(gòu)件。BEAM188梁單元允許梁端節(jié)點(diǎn)偏離截面的質(zhì)量中心。利用BEAM188梁單元的這一特性，在不需要建立垂直剛性臂來模擬梁體下翼緣的情況下，可以真實(shí)地模擬梁體與軌道的接觸情況。根據(jù)軌-枕-梁之間的相對位移和相互作用特點(diǎn)，建立小阻力扣件模型時，在鋼軌接頭和軌枕接頭之間設(shè)置彈簧單元，模擬扣件阻力。根據(jù)以上假設(shè)和分析，用有限元軟件ANSYS所建立的拱橋上無縫線路空間耦合模型如圖1.15所示。圖1.15斜拉橋上無縫線路空間耦合模型1.3縱向附加力計算方法與原則根據(jù)《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》，采用線橋墩一體化計算模型和有限元法對模型進(jìn)行建模和求解。梁軌溫度只考慮升溫或降溫，梁體每日使用溫差。在考慮路面橫向剛度和豎向剛度的基礎(chǔ)上，采用單軌試驗(yàn)方法計算了線路的橫向剛度和豎向剛度?？紤]到扣件的不同類型、載荷、無載荷以及線路縱向阻力的不同計算條件。伸縮力：溫度差對伸縮梁的影響導(dǎo)致梁與軌間的縱向力。撓曲力：由列車豎向荷載引起的梁與軌道之間的縱向力。制動力：由列車制動引起的梁、軌的縱向力。斷軌力：鋼軌斷裂引起的梁與鋼軌之間的縱向力。在無縫線路伸縮區(qū)，在不考慮鋼軌斷裂強(qiáng)度的情況下，不考慮橋墩水平剛度和豎向剛度的影響，即假定兩條鋼軌不同時斷裂。一般情況下，假設(shè)橋梁無縫線路的縱向力相互不影響，分別單獨(dú)計算。橋上無縫線路的設(shè)計應(yīng)滿足下列要求(1)考慮橋上無縫線路的附加壓力，并控制較長鐵軌的縱向壓值，從而避免了橋上無縫線路的延伸，特別是在橋梁上曲線地段的無縫線路軌道；(2)通過調(diào)節(jié)長鋼軌的縱向拉力值，以提高鋼軌硬度；(3)調(diào)整鐵軌斷裂處斷縫的最大拉開值，以保證行駛安全性；(4)通過調(diào)節(jié)作用于橋墩臺的縱向水平值，以保證大橋的安全通過；(5)在制動力作用下，在保證無縫線路長鋼軌強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，控制橋墩和橋臺的最小縱向水平剛度；(6)為了提高路床的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)確定梁軌上在常阻力扣件段制動力影響下的梁軌相對移動極限不大于4mm，在小阻力扣件段不應(yīng)有限制；(7)盡量不使用或少使用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器；(8)合理選用軌道部件參數(shù)，盡可能延長軌節(jié)尺寸；(9)當(dāng)橋上考慮鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)設(shè)備時，宜在基本軌道一側(cè)設(shè)置不少于100m的較小阻力聯(lián)接，并且為了方便管理工作，在相同橋跨上也盡量為相同扣件聯(lián)接；(10)雙向伸縮調(diào)節(jié)裝置鋪設(shè)在連續(xù)橋端部時，應(yīng)當(dāng)保證尖線不越過橋面沉降裂縫；(11)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，不得設(shè)置于豎曲線或曲線地區(qū)；(12)盡量使橋上無縫線路鎖定軌溫和與路基上無縫鎖定軌溫保持一致，以方便于現(xiàn)場管理。1.3.1伸縮力計算在計算伸縮力時，沒有考慮鐵路制動力和列車豎向荷載的影響，而是考慮了橋梁的伸縮位移、伸縮調(diào)節(jié)器的伸縮位移和軌道溫度的變化范圍。橋梁兩端至路基的鐵路跨徑計算長度不少于邊跨長度的三倍，一般在100m以上。通過計算（考慮橋墩橋臺縱向剛度）確定各橋墩橋臺縱向水平承載力，并用計算結(jié)果驗(yàn)證橋墩橋臺結(jié)構(gòu)安全性的計算。在無縫線路的檢測計算中，應(yīng)采用橋梁上不同半徑對應(yīng)的最大附加溫度、應(yīng)力應(yīng)變曲線。1.3.2撓曲力計算在計算撓曲力時，不考慮鐵路橋面制動力和溫度變化。將橋梁在豎向荷載作用下的撓度位移和鐵路伸縮調(diào)節(jié)器伸縮后的位移視為主動荷載。在雙線橋上，計算了兩條線路同時運(yùn)行時列車的等效豎向荷載。由于傳遞彎矩的距離有限，通常只根據(jù)兩跨或三跨列車的豎向荷載進(jìn)行計算，可分為兩種情況：固定端與車輛連接，活動端與車輛連接車輛，