CN112241562A

CN112241562A - 一种悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法

Info

Publication number: CN112241562A
Application number: CN202010957601.7A
Authority: CN
Inventors: 张宁; 李利军; 牛均宽; 仵叔强; 余锋
Original assignee: China Railway Baoji Bridge Group Co Ltd
Current assignee: China Railway Baoji Bridge Group Co Ltd
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: CN112241562B

Abstract

本发明涉及一种既能解决了轨道梁主焊缝的设计差异较大，造成主焊缝过设计情况，又能降低轨道梁制造成本的悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法，采用有限元与理论计算结合的方法对悬挂式轨道梁的主焊缝受力状态进行详细分析计算，对其传力规律进行研究，并在此基础上确定轨道梁主焊缝的受力状态和焊缝结构型式，本设计方法可对悬挂式轨道梁的主焊缝进行定量分析，避免主焊缝过设计，降低投资成本。

Description

一种悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法

技术领域

本发明涉及一种既能解决了轨道梁主焊缝的设计差异较大，造成主焊缝过设计情况，又能降低轨道梁制造成本的悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法。

背景技术

CN110083848A、名称“一种H型及箱型杆件侧面角焊缝简化计算方法”，以大大减少焊缝设计计算工作量，且使钢结构受力更加合理。包括如下步骤：(1)根据轴力按照面积分配的原则，计算出腹板上分配的轴力Nf；(2)设定侧面角焊缝剪应力传递路径长度l；(3)按照侧面角焊缝上剪应力均匀分布计算出等效剪应力τ₁；(4)将等效剪应力乘以2，得到最大剪应力τ₂。通过计算总结出了侧面角焊缝的有效传力长度，解决了规范规定的焊缝计算长度过小的问题，可用于大型杆件的侧面角焊缝的设计；得出了侧面角焊缝等效剪应力及最大剪应力计算公式，可以根据杆件的受力，通过简单的计算得到焊缝了剪应力，进而确定焊缝的有效高度，大大的减小了计算工作量；通过本方法建成的国内某座铁路大跨度岷江大桥，并已成功推广应用于国内其他铁路大跨度钢桁梁桥的建设中，解决了技术难题，使结构受力更加合理。但是，此发明中仅确定了侧面角焊缝的有效传力长度及剪应力的计算，对于受力状态复杂的悬挂式空轨轨道梁主焊缝无法适用。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种既能解决了轨道梁主焊缝的设计差异较大，造成主焊缝过设计情况，又能降低轨道梁制造成本的悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法。

设计方案：悬挂式单轨交通系统作为一种新型的中、低运量的城市单轨交通系统，具有占地面积小、兼容性强、投资成本低、建设周期短等优点，可以选为中小城市主要发展的轨道交通形式，也可以作为大型城市交通系统的完善补充。目前，德国和日本已相继发展了悬挂式单轨，并已成功运营多条线路。国内仅建设了几条试验线（均为厂内试验线），尚未建设运营线路。对于轨道梁的主焊缝设计，暂没形成相关深入研究。车辆荷载基本一致的情况下，轨道梁主焊缝的设计差异较大，造成主焊缝过设计情况出现，一定程度上增加了项目投资成本，不利该体制的推广。对于悬挂式空轨轨道梁主焊缝，目前还未见相关的计算方法。

本发明在参考国外设计资料的基础上，基于实际工程经验，采用有限元、理论计算结合的方法对主焊缝进行计算研究，分析轨道梁主焊缝的受力特点和规律，确定主焊缝设计方法和理念。在方法设计上：对轨道梁主焊缝进行受力体系，通过有限元计算确定出某一区域的焊缝所受内力，参考相关钢结构设计标准进行焊缝设计和名义应力计算，验算焊缝的强度和疲劳指标。具体相关步骤如下所述：

1）对轨道梁主焊缝各个受力体系进行分解，确定主焊缝受力状态；

2）根据轨道梁及焊缝的受力体系分析，将轨道梁对称中心线一侧划分五个区域进行研究，区域一位于跨中位置，设置9个节点连接单元，区域二至区域五沿梁长方向分布，均设置2个节点连接单元（加劲肋位置和肋中位置）；

3）使用有限元软件建立包含研究区域及节点连接单元的有限元模型，确定荷载组合列车：列车静活载作用、主力+附加力（自重+二恒+列车竖向静活载+动力作用+列车横向摇摆力/离心力+风载）、疲劳组合（列车竖向静活载+动力作用+列车横向摇摆力/离心力）；

4）将列车静活载按移动荷载的方式进行加载，计算列车移动过程中主焊缝的传力变化规律；

5）提取各节点连接单元（焊缝区域）的内力值，按照相关钢结构设计标准进行焊缝初步结构设计和名义应力值计算，验算焊缝的强度和疲劳指标。

本发明通过大量计算总结出了悬挂式单轨轨道梁主焊缝的传力规律，一是解决了复杂受力焊缝计算与相关钢结构设计规范的名义应力的对接问题，以及上、下翼缘主焊缝传力关系和规律，即：（1）上、下翼缘与腹板连接的主焊缝均受剪力作用，同一断面位置处大小基本相等方向相反，计算结果与简支梁主焊缝承剪力作用一致；（2）两加劲肋中间位置下翼缘主焊缝承受竖向力作用明显大于上翼缘主焊缝；（3）加劲肋位置下翼缘焊缝承受竖向力作用作用略大于上翼缘焊缝，二者均大于两加劲肋中间位置下翼缘焊缝；（4）两加劲肋中间位置下翼缘焊缝的Mx力矩作用明显大于其他位置。二是得出了主焊缝传力沿梁长方向的传力关系和规律，即：（1）加劲肋位置的竖向力Fz远大于其他位置，纵向力FX靠近加劲肋位置越大，加劲肋处的Fx在加劲肋的作用下迅速减小。（2）焊缝力矩Mx在区域一中呈V型分布，加劲肋处力矩最小，向两侧逐步增大。My呈M型分布。（3）焊缝纵向剪力FX由跨中向支座位置逐渐增大，由于吊框位置作用承担轨道梁剪力作用，靠近吊框位置的Q1位置的Fx减小。竖向力Fz主要为车轮作用，各位置基本相同，最大点位于M1处，吊框位置的Q1位置的Fz最小。MX由跨中向支座位置逐渐增大，My由跨中向支座位置逐渐增大，由于吊框位置作用，靠近吊框位置的Q1位置的My减小。（4）各肋中位置的焊缝纵向剪力FX由跨中向支座位置逐渐增大，竖向力Fz主要为车轮作用，各位置基本相同。由跨中向支座位置，Mx呈现先减小后增大的趋势，My呈现逐渐增大的趋势。

本发明与背景技术相比，一是通过建立有限元模型和焊缝节点连接单元，计算出焊缝所受内力，进而确定焊缝的有效高度，很大程度上提高了设计质量；二是通过本方法进行焊缝的设计验算，可准确、定量评估焊缝的受力状况和疲劳性能，解决了技术难题，使结构受力更加合理；三是本发明具有设计效率高，灵活性强、节能减耗、结果准确的特点；四是本发明可扩展应用在各类城市轨道交通轨道结构相关焊缝设计中（如中低速磁浮、跨座式单轨、悬挂式单轨、旅游观光轻轨等领域）。

附图说明

图1 是轨道梁截图示意图。

图2是焊缝计算区域布置图。

图3是图2所示主焊缝传力图，其中a—A2（Fx），b—A2（Fy），c—A2（Fz），d—A1（Fx），e—A1（Fy），f—A1（Fz）。

图4是图2所示主焊缝传力图，其中a—A2（Fx），b—A2（Fy），c—A2（Fz），d—A1（Fx），e—A1（Fy），f—A1（Fz）。

图5是A-A位置（图2所示）焊缝力矩图，其中a—A2（Mx），b—A2（My），c—A1（Mx），d—A1（My）。

图6是E-E位置（图2所示）焊缝力矩图，其中a—E2（Mx），b—E2（My），c—E1（Mx），d—E1（My）。

图7是区域一各焊缝受力图。

图8是区域一各焊缝力矩图。

图9是各加劲肋位置下翼缘焊缝。

图10是各肋中位置焊缝受力。

具体实施方式

实施例1：参照附图1-10。一种悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法，对轨道梁主焊缝进行受力体系，通过有限元计算确定出某一区域的焊缝所受内力，参考相关钢结构设计标准进行焊缝设计和名义应力计算，验算焊缝的强度和疲劳指标。下面结合具体实例进行轨道梁主焊缝的设计和验算。

（1）如图1所示，梁结构内轮廓尺寸为780mm（宽）×1100mm（高），底部开口宽度240mm，下翼缘板厚32mm兼做轨道，轨道梁材料为Q345qD。轨道梁内部为车辆转向架走行空间，不设横隔板。悬挂式单轨交通轨道梁属于薄壁开口箱型结构，成桥架设后为简支结构。上翼缘呈受压状态，下翼缘呈受拉状态，腹板承受剪力作用。上、下翼缘板与腹板的通过主焊缝和加劲肋连接，下翼缘板同时作为车辆走形面，受车轮局部荷载作用，其连接焊缝受力最为严酷。

（2）主焊缝受力体系分解，上、下翼缘主焊缝受力体系基本相同，下翼缘主焊缝在承受轨道梁整体荷载作用的同时，又承受车轮局部荷载，受力状态负杂。为便于研究，对下翼缘主焊缝各个受力体系进行如下分解。

简支梁体系：下翼缘板与腹板通过焊缝连接，顺轨道梁长度方向，轨道整体结构属于简支梁结构，焊缝在此受力体系下承受剪力为主；

连续梁体系：下翼缘板作为车辆走面，在间距一定的横向加劲肋作用下，下翼缘板与腹板连接焊缝在隔板区域内可视为连续梁结构，焊缝在此受力体系下承受拉为主；焊缝在加劲肋区域受力大于中间区域。

悬臂体系：下翼缘板作为车辆走行面，沿轨道横向构成悬臂结构，由横向加劲肋和下翼缘板与腹板的连接焊缝共同承担悬臂结构的弯矩。

由于有限元计算焊缝存在应力集中，且无法参照相关钢结构设计规范中的名义应力设计值。为准确计算焊缝的受力状态，采用有限元建模，对焊缝位置进行单位长度内节点连接，提取焊缝连接区域的力和力矩，进行焊缝名义应力计算。

（3）如图2所示，根据轨道梁及焊缝的受力体系分析，将轨道梁对称中心线一侧划分五个区域进行研究。区域一位于跨中位置，设置9个节点连接单元（A ~I），区域二至区域五沿梁长方向分布，均设置2个节点连接单元（加劲肋位置和肋中位置）上、下主焊缝节点连接单元分别用脚标2、1表示。

（4）通过三维软件建立直线25m轨道梁足尺模型，采用有限元软件对轨道梁主焊缝的传力进行计算，计算主焊缝不同位置的内力并制图进行对比，确定主焊缝传力规律（如图3~图10所示）。

（5）荷载组合下的焊缝传力计算，下翼缘焊缝受力严酷于上翼缘焊缝，加劲肋位置焊缝受力严酷于其周围区域，O-O区域的焊缝最为严酷。对比各区域焊缝受力情况，选O-O区域焊缝进行研究计算。

（6）焊缝结构设计。根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中11.3的焊缝连接构造要求，腹板厚度小于25mm时，主焊缝可不开坡口。焊脚尺寸根据主焊缝的强度荷载和疲劳荷载进行设计，并满足《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091-2017）的最小焊脚尺寸12mm的要求。根据轨道梁主焊缝内力计算结果，初步确定如下焊缝结构，下翼缘采用焊脚尺寸14mm的双面角焊缝，上翼缘采用焊脚尺寸12mm的双面角焊缝。

（7）焊缝强度计算。

O-O区域的焊缝受力较其他区域严酷，取其为研究对象进行分析。O-O区域下翼缘连接焊缝O1长度为200mm，焊脚，上翼缘连接焊缝O1长度为200mm，焊脚。

下翼缘连接焊缝O1强度校核：

焊缝有效面积为

焊缝对x轴的惯性矩为

焊缝对y轴的惯性矩为

焊缝最外边缘的截面模量为

在剪力FX作用下脚焊缝剪应力为

在拉力FZ作用下脚焊缝应力为

在弯矩MX作用下脚焊缝应力为

在弯矩MY作用下脚焊缝应力为

焊缝在剪力、拉力、弯矩共同作用下

上翼缘连接焊缝O2强度校核过程和上述计算过程相同，焊缝最大应力为，满足设计标准。

（8）焊缝疲劳计算。

轨道梁主焊缝受列车的车轮荷载影响较大，从图4可以看出，一列车通过轨道梁后，焊缝的应力循环3次。按《铁路桥梁钢结构设计规范》进行疲劳验算，应力循环次数按3min发车间隔计算约2628万次。

疲劳允许应力幅类别按第V类考虑。根据《铁路桥梁钢结构设计规范》中提供的疲劳抗力方程：

将带入上式，计算可得。

根据5.3节疲劳荷载组合下的焊缝连接内力，轨道梁上、下翼缘主焊缝的最大计算应力幅分别为11.7Mpa、23.6Mpa，满足《铁路桥梁钢结构设计规范》疲劳限值52.8Mpa的要求。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法，其特征是：

2）根据轨道梁及焊缝的受力体系分析，将轨道梁对称中心线一侧划分五个区域进行研究，区域一位于跨中位置，设置9个节点连接单元，区域二至区域五沿梁长方向分布，均设置2个节点连接单元，即加劲肋位置和肋中位置；

3）使用有限元软件建立包含研究区域及节点连接单元的有限元模型，确定荷载组合列车：列车静活载作用、主力+附加力、疲劳组合；

5）提取各节点连接单元的内力值，按照相关钢结构设计标准进行焊缝初步结构设计和名义应力值计算，验算焊缝的强度和疲劳指标。

2.根据权利要求1所述的悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法，其特征是：主力+附加力是指自重+二恒+列车竖向静活载+动力作用+列车横向摇摆力/离心力+风载。

3.根据权利要求1所述的悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法，其特征是：疲劳组合是指列车竖向静活载+动力作用+列车横向摇摆力/离心力。

4.根据权利要求1所述的悬挂式空轨轨道梁主焊缝设计方法，其特征是：各节点连接单元是指焊缝区域。