跨既有铁路桥梁施工的固定式防护结构抗碰撞性能分析

陈 强，上官涛

(1.蒙西华中铁路股份有限公司，北京 100073;2.中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844)

某铁路简支梁桥上跨既有电气化铁路线，属于线路交叉施工工程。该铁路线交通运输繁忙，现场不具备满堂支架施工条件，采用架桥机架设施工。为确保工程施工不影响既有电气化铁路的运营，也为了保证施工安全，防止触电，需在既有线上方搭设防护结构，由铁路运输的重要性和不中断性对防护装置提出了更高的要求。目前常用的防护装置有两种:移动式防护结构和固定式防护结构，对于采用架桥机架设的跨线铁路桥，由于存在较大的防护面积，常采用固定式防护结构。

1 固定式防护结构设计

1.1 固定式防护结构要求

防护结构主要作用是防止坠落物对既有线设备造成损坏，同时防止施工人员接触铁路电网，发生触电事故，因此，防护范围须涵盖所有施工作业面内可能发生坠落物的所有面积。

防护结构中防电棚除了承受自身荷载外，需要承受一定的冲击作用(坠落物)。静力性能计算以结构的强度、刚度和稳定性作为控制要点，同时需要考虑结构的动力力学行为。

防护结构在满足其功能要求的前提下，需要进行详细的力学计算，确保防护结构的强度安全及稳定性指标，满足相关规范要求。

1.2 技术难点

既有铁路线横向尺寸较大，路基间空间小，无法在路基间埋设管桩，使防电棚设计面临大跨度的技术难题;下行电气化线路属于交通枢纽线路，为防止坠落物对既有铁路线路造成危险，必须确保防电棚结构具有足够的安全性能，尤其是抗碰撞能力。设计时需对防电棚结构进行详细的碰撞力学分析，以确保结构的安全。

在抗冲击性能计算方面，常规的方法是考虑坠落物的冲击系数，以自重乘以冲击系数的方法来近似模拟碰撞发生时的冲击效应。由于坠落物的坠落高度及碰撞发生位置等不确定因素的影响，使得单纯按照冲击系数的方式来考虑冲击效应存在很大的误差，实际工程中可能隐伏较大的安全风险。因此，应根据现场的具体情况来确定可能发生的最大坠落高度，同时根据结构的影响线分析来确定计算时考虑的最不利坠落位置，对结构进行精确的动力计算非常必要。

1.3 固定式防护结构设计方案

通过对现场的实地勘察，提出了防电棚的设计方案如下:

1)防电棚结构为3跨，跨度组成为12.0 m+21.0 m+9.0 m。

2)整体结构由下而上为:桩基础、钢管立柱、工字钢垫梁、贝雷梁、分配工字钢和防电棚;结构详细设计为:采用钢管立柱支撑，钢管立柱之间用I14b工字钢进行连接，在立柱顶部放置双拼I40b工字钢，作为其上方标准贝雷梁的支撑结构，同时在贝雷梁上放置I20b工字钢支承上面的防电棚钢板。防电棚结构的纵断面图和横断面图见图1和图2。

图1 防电棚结构纵断面

图2 防电棚结构横断面(单位:mm)

2 防护结构抗冲击性能计算结果及分析

2.1 抗冲击性能分析模型

有限元模型:防护结构的抗冲击性能分析采用通用有限元计算软件ABAQUS，模型中主要采用了板单元(模拟防电棚钢板构件)和梁单元(模拟钢管立柱、工字钢、贝雷梁等其他构件)，整体计算模型见图3。

2.2 荷载及计算工况说明

图3 ABAQUS整体有限元模型

1)计算荷载。本计算中考虑结构自重和重物冲击荷载。自重荷载由结构的质量乘以重力加速度，由程序自动计入;重物冲击荷载根据现场的实际调查，重物落至防电棚的垂直距离不超过2 m，施工中可能的坠落物主要是一些钢板、钢筋及小型施工机具等物件。经现场调查和各方讨论后最终确定了坠落物的计算质量为1.0 t。在模型计算时将重物考虑为一具有初速度的刚体，初速度为重物自由落体2 m后具有的速度值(即6.3 m/s)。

2)最不利作用位置。桥梁计算以荷载作用下的最大值作为其设计控制值，实际物体坠落在防电棚上的位置是离散的，即任何位置都可能发生。为确定最不利发生位置，需对结构进行影响线分析，找出影响线加载的最大点，从而得到结构设计的控制效应值。

本方案设计中，贝雷梁作为主要的跨越构件，为主要受力构件。计算时，重物坠落的纵向位置主要是根据单排贝雷架模型在移动荷载下的影响线中最大效应的位置来选择的，单排贝雷架的模型见图4，通过影响线最不利效应分析，最终确定了重物坠落在临时支架沿纵向约18.8 m处。

由于整个结构是空间结构，计算时需充分考虑其空间效应，因此又进一步确定了重物坠落由于横向位置变化而产生的不同效应，即考虑坠落时的正载和偏载两种最不利状况。两种状况下的荷载作用如图5和图6所示。

图4 单排贝雷架模型

图5 整体结构荷载正载情况

图6 整体结构荷载偏载情况

3)计算工况。坠落物下落过程在未接触防电棚时，结构并未产生冲击效应;至坠落物与结构接触后方开始产生冲击效应。即本分析计算考虑以下两种工况:重物未接触防电棚钢板(工况1)，重物尚在空中，未对防电棚产生冲击力，整体结构只受到自重的作用;重物坠落接触防电棚钢板，包括正载和偏载(工况2)，重物接触防电棚的过程是一个动态的过程，且接触过程持续时间很短，本次冲击计算时间取0.05 s。在这个过程中整体结构不仅有自重作用，同时还要承受重物的动态冲击荷载。

2.3 计算结果及分析

1)结构仅承受自重作用。整体结构仅在自重作用下的变形和应力如图7和图8所示，此时最大变形为5.3 mm，最大应力为41.9 MPa，最大应力发生在支撑处的贝雷梁上。

2)结构承受正载作用。结构承受冲击荷载时其力学行为是一个动态的过程，该过程中整体结构最大应力变化历程如图9所示，在0.025 s时结构应力最大而后渐趋平稳。该时刻结构最大应力如图10所示，最大应力值为72.8 MPa，发生在左侧钢管支撑处的贝雷梁上(重物冲击对应的贝雷梁)。

3)结构承受偏载作用。偏载作用下整体结构最大应力变化历程如图11所示，在0.025 s时结构应力最大而后渐趋平稳。该时刻结构最大应力如图12所示，最大应力值为72.4 MPa，发生在左侧钢管支撑处的贝雷梁上(重物冲击对应的贝雷梁)。

图7 结构变形情况(最大5.3 mm)

图8 结构应力情况(最大值41.9 MPa)

图9 结构最大应力历时曲线(冲击)

图10 0.025 s时结构应力(最大值72.8 MPa)

图11 结构最大应力历时曲线(偏载)

图12 0.025 s时结构应力(最大值72.4 MPa)

综合分析防电棚结构的自重荷载及重物冲击荷载作用下的变形及应力计算结果，该防护结构的强度、刚度及稳定状态均满足上部桥梁的施工要求，设计方案可靠。

3 结论

整体结构在自重作用下最大变形为5.3 mm，最大应力为41.9 MPa;在正载及偏载作用下，冲击计算时间为0.025 s时结构应力达到最大，随后渐趋平稳，最大应力值分别为72.8 MPa和72.4 MPa，位置均在重物冲击对应的贝雷梁处。综合分析抗冲击性能计算结果可知，该防护结构强度安全及刚度均满足上跨桥梁的施工要求。

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