CN108595852A - 一种重载铁路桥梁桥墩桥台纵向力分析优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种重载铁路桥梁的桥墩桥台纵向力分析优化方法,该方法不仅可以用于各种类型铁路桥梁的设计工作中,也可以应用到既有铁路桥梁的检算工作中。本发明所提供的方法,可以确定列车运行过程中各个桥墩所受纵向力的变化区间和极限荷载,在设计工作中采用合理的参数配置满足桥梁纵向受力的规范要求,根据各桥墩桥台的受力占比区间,确定重载列车对桥梁纵向作用力限值,对规范中铁路桥梁列车起动/制动荷载取值提供合理建议,从而对重载列车的安全运行提供保障。
Description
技术领域
本发明涉及铁路桥梁领域,具体地,涉及一种重载铁路桥梁的桥墩桥台纵向力分析优化方法。
背景技术
铁路重载运输在集中、大宗、长距离的货物运输方面具有明显的经济优势,其效益已由国内外铁路运输行业的业绩所证实。继大秦、朔黄等重载线路上成功运行25t重载列车后,我国已经成功规划并开通运行一系列设计轴重30t及以上的重载运输通道,如张唐、山西中南和蒙华铁路煤运通道等,标志着我国的重载铁路建设进入了迅速发展的阶段。
长编组、大轴重是重载列车的典型特征。随着大功率交流传动机车的应用,机车牵引力显著提升,大大提高了运输效率,但由于轴重及起动/制动黏着系数的增大,不可避免会增大对线路以下及下部桥梁的纵向作用力。随着重载运输的发展,重载铁路年运量不断提高,列车轴重越来越高,这就要求重载铁路桥梁的承载能力和刚度也越来越大,才能保证列车安全平稳通过桥梁,通过对重载铁路桥梁纵向力分布规律的研究,准确评价既有重载铁路桥梁服役状态和提高轴重的适应性,针对提高轴重提出最优的加固改造方案,是我国重载运输发展的迫切需求。
目前,根据我国现行规范中规定列车作用于桥梁的纵向作用力按竖向荷载10%进行选取,且不区分列车的制动力和机车的牵引力。以往研究成果表明,由于运营活载与设计活载间的差异、列车同步性相对较差、牵引质量相对较低等因素的综合作用,按上述选取可以满足轴重23t及以下的线路及桥梁设计。但随着列车轴重的提高,牵引质量的增大,原有的设计方法已经严重低估了目前重载运输条件下的列车纵向作用,不再具备较大的安全储备量。作用于桥梁的纵向设计荷载限值偏低会引发桥梁支座和下部结构病害,缩短桥梁及下部基础的服役寿命,严重时甚至将危及行车安全。
因此,开展车—线—桥纵向相互作用研究,探讨大轴重条件下重载铁路桥梁桥墩的纵向力分布特征,提出适用于现行30t轴重及以上运行条件的纵向荷载及限值十分必要。
发明内容
有鉴于此,本发明采用下述技术方案:
本发明提供一种重载铁路桥梁的桥墩桥台纵向力分析优化方法,包括:
S1:根据现场实测的不同工况参数,对应建立多个重载铁路轨道-桥梁-桥墩及桥台空间有限元模型;
S2:依次对该些模型施加列车荷载,提取列车过桥过程中的桥梁参数,分析对应每个模型的桥上重载铁路受力变形规律;
S3:根据每个所述受力变形规律绘制对应的墩台受力包络图,结合该对应的墩台受力包络图,确定该工况参数下列车运行过程中各位置的荷载,并根据各桥墩和桥台的荷载和跨长,绘制桥墩和墩台的受力占比图;
S4:根据所述受力占比图判断桥梁参数是否合理,其中,当判断结果为不合理时,调整与该工况对应建立的有限元模型参数;
S5:根据每个工况参数下的判断结果为合理的有限元模型,建立不同工况参数下桥墩和墩台的受力占比数据库;
S6:根据所述受力占比数据库分析桥墩和桥台所承受纵向力所占竖向荷载的占比范围,并依此设定桥墩和桥台受力的合理规范限值。
优选地,所述工况参数包括:桥梁轨道结构几何尺寸和物理参数;
其中,桥梁轨道结构几何尺寸包括:钢轨尺寸、轨枕尺寸、桥梁截面尺寸、桥长和每跨的长度尺寸、梁缝尺寸;
物理参数包括:物理属性包括钢轨和混凝土密度、弹性模量、泊松比,还包括扣件纵横垂向阻力、道床纵横垂向阻力、桥墩桥台支座刚度。
优选地,所述荷载包括垂向荷载和纵向荷载,所述荷载的施加位置为根据桥长和跨长间隔加载。
优选地,所述荷载为根据现场工况确定模型计算所用的黏着系数得到。
优选地,所述黏着系数包括起动黏着系数和制动黏着系数。
优选地,所述桥梁参数包括:各个桥墩桥台所受纵向力的大小、墩顶位移、钢轨纵向力、钢轨纵向应力、梁轨相对位移。
优选地,所述墩台受力包络图包括列车不同位置时各个桥墩和桥台所受纵向力的最大值曲线。
优选地,所述桥墩受力占比比值为:
优选地,所述可调整的有限元模型参数包括扣件阻力、道床阻力、桥墩桥台刚度。
本发明的有益效果如下:
本发明提供了一种重载铁路桥梁的桥墩桥台纵向力分析优化方法,该方法不仅可以用于各种类型铁路桥梁的设计工作中,也可以应用到既有铁路桥梁的检算工作中。本发明所提供的方法,可以确定列车运行过程中各个桥墩所受纵向力的变化区间和极限荷载,在设计工作中采用合理的参数配置满足桥梁纵向受力的规范要求,根据各桥墩桥台的受力占比区间,确定重载列车对桥梁纵向作用力限值,对规范中铁路桥梁列车起动/制动荷载取值提供合理建议,从而对重载列车的安全运行提供保障。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出了本发明方法流程示意图图。
图2示出了本发明一个实施例的重载铁路桥梁有限元模型图。
图3示出了本发明一个实施例的物理模型图。
图4示出了本发明一个实施例的施加垂向荷载示意图。
图5示出了本发明一个实施例的列车处于不同位置时墩台受力占比图。
图6示出了本发明一个实施例的列车荷载满布时墩台受力图。
图7示出了本发明一个实施例的钢轨纵向受力图。
图8示出了本发明一个实施例的桥墩刚度增大对纵向力影响计算图。
图9示出了本发明一个实施例的轴重增大对纵向力影响计算图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的一个实施例提供一种重载铁路桥梁的桥墩桥台纵向力分析优化方法,包括:
S1:根据现场实测的不同工况参数,对应建立多个重载铁路轨道-桥梁-桥墩及桥台空间有限元模型。
其中,所述工况参数包括:桥梁轨道结构几何尺寸和物理参数;
其中,桥梁轨道结构几何尺寸包括:钢轨尺寸、轨枕尺寸、桥梁截面尺寸、桥长和每跨的长度尺寸、梁缝尺寸;
物理参数包括:物理属性包括钢轨和混凝土密度、弹性模量、泊松比,还包括扣件纵横垂向阻力、道床纵横垂向阻力、桥墩桥台支座刚度。
S2:依次对该些模型施加列车荷载,提取列车过桥过程中的桥梁参数,分析对应每个模型的桥上重载铁路受力变形规律。
其中,所述荷载包括垂向荷载和纵向荷载,所述荷载的施加位置为根据桥长和跨长间隔加载。同时,所述荷载为根据现场工况确定模型计算所用的黏着系数得到。
更具体的,所述黏着系数包括起动黏着系数和制动黏着系数。
此外,所述桥梁参数包括:各个桥墩桥台所受纵向力的大小、墩顶位移、钢轨纵向力、钢轨纵向应力、梁轨相对位移。
S3:根据每个所述受力变形规律绘制对应的墩台受力包络图,结合该对应的墩台受力包络图,确定该工况参数下列车运行过程中各位置的荷载,并根据各桥墩和桥台的荷载和跨长,绘制桥墩和墩台的受力占比图。
其中,所述墩台受力包络图包括列车不同位置时各个桥墩和桥台所受纵向力的最大值曲线。
更具体的,所述桥墩受力占比比值为:
S4:根据所述受力占比图判断桥梁参数是否合理,其中,当判断结果为不合理时,调整与该工况对应建立的有限元模型参数。
具体的,所述可调整的有限元模型参数包括扣件阻力、道床阻力、桥墩桥台刚度。
S5:根据每个工况参数下的判断结果为合理的有限元模型,建立不同工况参数下桥墩和墩台的受力占比数据库。
S6:根据所述受力占比数据库分析桥墩和桥台所承受纵向力所占竖向荷载的占比范围,并依此设定桥墩和桥台受力的合理规范限值。
本发明提供了一种基于重载铁路桥梁桥墩纵向力分析优化方法,该方法不仅可以用于各种类型铁路桥梁的设计工作中,也可以应用到既有铁路桥梁的检算工作中。本发明所提供的方法,可以确定列车运行过程中各个桥墩所受纵向力的变化区间和极限荷载,在设计工作中采用合理的参数配置满足桥梁纵向受力的规范要求,根据各桥墩桥台的受力占比区间,确定重载列车对桥梁纵向作用力限值,对规范中铁路桥梁列车起动/制动荷载取值提供合理建议,从而对重载列车的安全运行提供保障。
下面请结合图1-9具体说明:
图1是本发明流程框图,根据桥梁和轨道结构的实际尺寸,采用ANSYS有限元软件建立重载铁路桥梁分析模型。确认荷载参数、扣件、道床和桥墩桥台相关参数后,模拟不同工况下列车荷载作用,分析桥墩桥台和轨道结构各部分的纵向力和位移情况。主要分析各桥墩桥台的受力占比,梁轨相对位移和钢轨所受纵向力满足规范要求即可。
如图2所示,采集桥梁截面形式几何尺寸,以及轨道结构相关几何尺寸,利用ANSYS软件建立重载铁路桥梁模型,模型主要包含轨道、桥梁、桥墩及桥台空间有限元模型以及模型间的空间相互作用。实施例中模型采用梁单元BEAM188模拟钢轨,实体单元SOLID45模拟桥梁,以非线性弹簧单元COMBIN39模拟扣件纵向阻力,以线性弹簧单元COMBIN14模拟扣件垂横向力学特性和墩台刚度,钢轨两端不施加纵向约束,在一定位置约束其侧向位,采用双支座,同时约束轨道结构的横向扭转。
全桥7跨每跨32米,共224米,采用普通高度预应力混凝土T梁,32m梁图号为叁桥2002。本例中线路为双线有砟轨道,分为轻车与重车方向,重车线采用75kg/m钢轨,III型轨枕,轻车线采用60kg/m钢轨,II型轨枕。按扣件间距0.6米划分单元。为消除路基对纵向力的影响,将钢轨分别在桥梁两端路基上各延长600米。
图3为桥梁理论仿真模型,模拟列车荷载在轨道结构和桥梁直接的传递关系,选取重载铁路桥梁物理属性。本实施例中,钢轨密度7800kg/m3,弹性模量2.06×1011Pa,泊松比取0.3。桥梁采用C50混凝土,密度为2600kg/m3,弹性模量为3.45×107Pa,泊松比取0.2。铺设II型、III型轨枕的无载道床阻力分别按14kN/m/线和30kN/m/线考虑,有载条件下按无载相应量值的1.55倍取用。模型中线路纵向阻力按下公式取用。
桥墩及桥台纵向刚度如表1所示。
表1墩台顶纵向水平线刚度
如图4为模型中所取用的列车荷载图示,垂向荷载采用ZH活载图示,根据我国《铁路列车荷载图示》,设计轴重30t~35t(不含)、货车载重100t级的重载铁路,荷载系数z取1.30;其它重载铁路荷载系数宜根据列车荷载发展系数平均值不低于1.20、最小值不低于1.10的原则确定。制动荷载通常用列车竖向荷载乘以制动力率来表示,列车制动力率与竖向活载、轮轨接触和列车制动方式有关,通常采用轮轨粘着系数来表示。我国《铁路无缝线路设计规范》规定轮轨粘着系数为0.164,故本实施例制动荷载采用列车竖向荷载乘以0.164表示。在本实施例中列车荷载考虑垂向荷载和纵向荷载共同作用。
为了得到各桥墩及桥台的最不利受力情况,分别计算了ZH活载从0号桥台进桥进行制动,直至列车全部出桥,列车每前进50m进行一次加载计算(其他案例中可根据桥梁的总长和跨长视情况决定),得到了列车在桥上各个位置处各桥墩及桥台受力情况,最终绘制各桥墩及桥台受到的纵向力峰值包络线,如图5所示。根据重载列车制动特征和列车制动力在桥跨内的传递规律,同时考虑桥梁长度,列车加载长度取300m。因此考虑列车从进桥开始直至完全驶出桥梁,每个方案下均计算12个工况。桥墩受力占比比值=桥墩受力值/(单跨跨长×列车垂向荷载)。将各工况下各个桥墩和桥台的受力占比与规范中荷载占比限值作比较,在桥梁设计和检算中起到指导作用。
图6为荷载满布时1~7号桥墩桥台所受纵向力的大小,可以看出,1~6号桥墩所受纵向力大体相同,7号桥台由于刚度大,所受纵向力远大于各个桥墩。图7为荷载满布时钢轨纵向力大小,在检算过程中需要将这些结果与规范对比,辅助检验桥梁设计是否合理。在设计过程中,可以调整扣件、道床和桥墩桥台相关阻力参数,达到满足规范要求的目的。
图8为增大桥墩刚度时各个桥墩桥台的纵向力占比图,由图可知桥墩和桥台刚度增大时,1~6号桥墩所受纵向力有所增大,而7号桥台纵向力占比有所降低。当桥墩刚度增加至原刚度2倍时,各桥墩所分担的纵向力除1号桥墩增大近5%外,其余各桥墩增大均在5%以内。增加桥墩纵向刚度有助于提高桥墩的纵向承载能力,管增大桥墩刚度会导致桥墩分担的纵向力有所增大,但增大幅度较小,远小于加固桥墩带来其承载力的提高,因此,加固桥墩方案在改善纵向力的问题上的整体效果较为明显。
图9为不同轴重条件下桥墩和桥台纵向力分布特征,可以看出,随着轴重由25t增大至35t,桥墩底部所受纵向力逐渐增大,各桥墩和桥台增幅有一定差别,其中1~6号桥墩纵向力增幅为15%~34%,7号桥台纵向力增幅最大,最大增幅为34.2%。经分析可知,由于桥台刚度大于桥墩,桥台在整个纵向力传力中所受纵向荷载最大,当轴重增大时,桥台受力增幅也明显大于桥墩的纵向力增幅。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种重载铁路桥梁的桥墩桥台纵向力分析优化方法,其特征在于,包括:
S1:根据现场实测的不同工况参数,对应建立多个重载铁路轨道-桥梁-桥墩及桥台空间有限元模型;
S2:依次对该些模型施加列车荷载,提取列车过桥过程中的桥梁参数,分析对应每个模型的桥上重载铁路受力变形规律;
S3:根据每个所述受力变形规律绘制对应的墩台受力包络图,结合该对应的墩台受力包络图,确定该工况参数下列车运行过程中各位置的荷载,并根据各桥墩和桥台的荷载和跨长,绘制桥墩和墩台的受力占比图;
S4:根据所述受力占比图判断桥梁参数是否合理,其中,当判断结果为不合理时,调整与该工况对应建立的有限元模型参数;
S5:根据每个工况参数下的判断结果为合理的有限元模型,建立不同工况参数下桥墩和墩台的受力占比数据库;
S6:根据所述受力占比数据库分析桥墩和桥台所承受纵向力所占竖向荷载的占比范围,并依此设定桥墩和桥台受力的合理规范限值。
2.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述工况参数包括:桥梁轨道结构几何尺寸和物理参数;
其中,桥梁轨道结构几何尺寸包括:钢轨尺寸、轨枕尺寸、桥梁截面尺寸、桥长和每跨的长度尺寸、梁缝尺寸;
物理参数包括:物理属性包括钢轨和混凝土密度、弹性模量、泊松比,还包括扣件纵横垂向阻力、道床纵横垂向阻力、桥墩桥台支座刚度。
3.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述荷载包括垂向荷载和纵向荷载,所述荷载的施加位置为根据桥长和跨长间隔加载。
4.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述荷载为根据现场工况确定模型计算所用的黏着系数得到。
5.根据权利要求4所述方法,其特征在于,所述黏着系数包括起动黏着系数和制动黏着系数。
6.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述桥梁参数包括:各个桥墩桥台所受纵向力的大小、墩顶位移、钢轨纵向力、钢轨纵向应力、梁轨相对位移。
7.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述墩台受力包络图包括列车不同位置时各个桥墩和桥台所受纵向力的最大值曲线。
8.根据权利要求2所述方法,其特征在于,所述桥墩受力占比比值为:
9.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述可调整的有限元模型参数包括扣件阻力、道床阻力、桥墩桥台刚度。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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