重载铁路小半径曲线跨度32 m简支T梁设计研究

梁正中

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津　300142)



重载铁路小半径曲线跨度32 m简支T梁设计研究

梁正中

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津300142)

摘要：铁路专用线是近几年快速发展的铁路建设形式之一,重载小半径铁路专用线更是主要的发展方向。晋中南铁路专用线采用300 kN轴重列车活载,其单线最小曲线半径300 m,双线最小曲线半径600 m,超出32 m常用跨度简支T梁梁图适用范围,而采用更小跨度的简支T梁或连续箱梁不经济。根据铁路小半径重载桥梁的特点,提出小半径曲线下重载铁路简支T梁的设计方案。重点研究适用于小半径简支T梁的偏载计算,分别提出恒载偏载和活载偏载的计算方法。目前多条专用线已经通车运营,实践证明设计方案是合理可行的。

关键词：重载铁路；T形梁；小半径曲线；偏载计算；设计

1小半径曲线重载铁路的背景及目的

货运重载化是世界铁路发展的重要方向之一[1]。铁路作为陆路交通运输主要方式之一，在我国综合物流系统发展和不断完善过程中正越来越多地承担起大宗散货长距离运输任务。铁路建设项目中，衔接干线铁路、公路、水运等其他运输方式的货物交接点或运输目的地，亦越来越多地涉及煤炭、矿石等散货储运装工程。铁路专用线是近几年快速发展的铁路建设形式之一，同时国家颁布了《Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范》[2-3]，重载小半径铁路专用线更是主要的发展方向，结合专用线铁路项目速度目标值低、工程造价低、工程周期短、投资收益快等自身特点及要求，研究适应于小半径重载线路的梁型有很强的紧迫性和必要性。

晋中南专用线依托晋中南重载铁路，采用300 kN轴重列车，由于地形复杂，为节省投资，需要采用较小的平面曲线半径(300～800 m)，已经超出32 m常用跨度简支T梁梁图适用范围[4]。而采用更小跨度的简支T梁或连续箱梁不经济，且采用小跨度连续箱梁曲线内侧端支座易脱空、曲线梁体向曲线外侧径向产生整体侧移等问题比较突出。本文选择研究适用于小半径曲线的32 m标准跨度双线桥，对桥面布置形式、梁体结构尺寸、预应力筋布置形式等进行了计算分析和研究，提出小半径曲线下重载铁路简支T梁的设计方案。

2研究方法及重点

普速铁路简支梁桥一般由多片预制T梁架设就位，再通过桥面板和横隔板湿接缝现场浇筑连接成整体，并在横隔板处设置横向预应力。一般单线桥由2片T梁组成，双线桥由4片T梁组成。小半径曲线线路条件下，线路中线与梁中线的偏移、离心力的作用和超高的设置将使每片梁发生偏载[5，7]。梁各截面的弯矩和剪力及扭矩亦将较直线梁增大，此时每片梁不仅产生平面弯曲还伴随着扭转，但由于多片式T梁均采用横隔板联接使其成为整体，为安全及简化计算，将扭矩的影响转化为平面弯曲考虑，仅将其弯矩和剪力予以增大。

晋中南铁路专用线单、双线简支T梁，单线半径300～600 m(不含)，双线半径600～800 m(不含)。

列车活载:采用重载，如图1所示。

图1　重载列车活载图示(单位：m)

采用空间有限元软件Midas和杆系有限元软件BSAS分别建模计算；BSAS平面模型采用梁单元模拟，共采用42个梁单元，43个节点，支点与主梁节点共节点；空间模型中主梁和横隔板均采用梁单元模拟，支座采用刚性连接单元模型。模型共采用531个梁单元，610个节点，中间湿接缝中心采用铰接处理：只传递剪力不传递弯矩。重点研究偏载对梁体受力及变形影响，Midas空间模型可按两类曲线布置形式进行计算：(1)曲线内侧线路为计算线，按平分中矢布置，曲线外侧线路随线间距变化而相应布置，简称内平分中矢；(2)曲线外侧线路为计算线，按平分中矢布置，曲线内侧线路随线间距变化而相应布置，简称外平分中矢。并与公路“刚接板法”[6，9]进行对比分析，得出适用于铁路小半径梁的偏载计算方法。限于篇幅，重点分析中梁的受力及变形情况。Midas空间模型如图2所示。

图2　Midas空间模型

3计算分析及结果分析

3.1　计算分析

3.1.1结构尺寸

单线梁采用两片边梁，双线梁采用两片边梁和两片中梁。主梁计算跨度32 m，全长32.6 m，梁高2.6 m，轨底至梁底建筑高度为3.3 m。预制边梁顶宽为2.3 m，双线中梁顶宽1.7 m，下缘宽均为0.88 m。桥面板上设计2%的横向排水坡。双线T梁横向布置见图3。

图3　双线T梁横向布置(单位：mm)

3.1.2分析重点

(1)恒载偏载

根据《铁路轨道设计规范》(TB10082—2005)中曲线外轨最大超高不应大于150 mm，并考虑内、外平分中矢两种曲线布置形式及线间距数值(图4、图5)，分别计算现浇横隔板、现浇桥面板、人行道支架及步板、轨枕及扣件、电缆槽及电缆、道砟、声屏障、挡砟块、防水层等二期恒载[8]。

图4　内平分中矢桥面布置(单位：mm)

图5　外平分中矢桥面布置(单位：mm)

Midas空间模型是将各个分项的二期恒载分别施加到各个空间T梁上，其荷载分配按照其横向刚度大小自由分配；BSAS单梁模型是将表1中的主梁分配的二期恒载施加到单梁模型上。

表1　内、外平分中矢下各片梁承担二期恒载　kN/m

Midas空间模型和BSAS单梁模型恒载(自重+二期恒载+收缩徐变)受力对比分析详见表2。

表2　Midas和BSAS恒载对比分析

从计算结果可以看出，空间模型恒载偏载系数最大1.006，单梁模型恒载偏载系数1.143。针对小半径曲线梁的特殊性，推荐采用单梁模型计算。

(2)活载偏载

本文采用刚接板法[6]、Midas空间模型对中梁活载横向分布系数[10]分别进行计算，计算结果如表3所示。

表3　横向分布系数对照

结果显示，采用刚接板法计算时，因无法考虑离心力、横向摇摆力的影响，横向分布系数较Midas计算结果小，计算偏于不利。故采用Midas空间模型作为单梁计算的计算依据，偏载系数取1.12。

3.2　结果分析

3.2.1受力结果分析

根据有限元分析结果，截面应力验算结果详见表4，均满足设计规范要求。

表4　截面应力验算

3.2.2变形结果分析

根据有限元分析结果，重载作用下最大竖向挠度为21.79 mm，小于L/1 000=32.0 mm，满足规范要求，详见表5；在列车摇摆力、离心力、风力和温度作用下，梁体水平挠度为1.46 mm，小于梁体计算跨度的1/4 000=9.88 mm，满足规范要求[11，12]。

表5　竖向静活载位移验算

3.2.3横向自振频率结果分析

横向自振频率按双线全桥空间模型(4.0 m线间距)的自振频率给出，其自振模态如图6所示。梁体横向自振频率为8.32 Hz，大于55/L0.8=3.44 Hz，满足《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)相关要求。双线T梁横向自振模态见图6。

图6　双线T梁横向自振模态

4T梁架设设计及工程实践

图7　单线桥梁弯道布置(单位：cm)

简支T梁采用分片预制、分片架设的方法，设计中对TJ165、DJ180等型号架桥机工况进行检算，满足设计规范要求。简支梁曲线布置按平分中矢布置，为满足线路中心到道砟槽内侧距离不小于2.2 m的规范要求[2]，简支T梁需调整梁肋中心距，支座及支承垫石位置相应调整。如图7所示，半径R=300 m的单线32 m简支T梁，偏距E=23 cm，偏角A=6°18′09″。可见，小半径曲线桥梁偏距和偏角均非常大，故桥梁架设时，必须执行《TJ165型架桥机使用说明书》、《DJ180型架桥机使用说明书》的要求并严格执行《铁路架桥机架梁暂行规程》和《架桥机安全操作规程》等相关规定。目前多条重载铁路专用线在施工中采用TJ165和DJ180架桥机均实现了小半径T梁的架设。

5结论

根据铁路小半径曲线重载桥梁的特点，重点研究了适用于小半径简支T梁的偏载计算方法。并以双线梁为例分别采用空间有限元软件Midas和杆系有限元软件BSAS对恒载偏载进行分析计算，推荐采用BSAS单梁模型计算恒载；分别采用刚接板法和Midas空间模型对活载横向分布系数进行分析计算，推荐采用Midas空间模型计算活载。结构受力、变形等均满足设计规范要求。晋中南重载铁路专用线采用单线最小半径R=300 m简支T梁，双线最小半径R=600 m简支T梁，目前多条专用线已经通车运营，实践证明设计方案是合理可行的。

参考文献：

[1]钱立新.国际铁路重载运输发展概况[J].铁道运输与经济，2002(12):55-56.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国住房及城乡建设部.GB50012—2012 Ⅲ、Ⅳ级铁路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[4]刘玉亮.重载铁路简支T形梁设计[J].铁道标准设计，2011(9):43-47.

[5]铁道部专业设计院.铁路工程设计技术手册·混凝土桥[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[6]范立础.桥梁工程(上)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[7]李国豪，石洞.公路桥梁荷载横向分布计算[M].北京：人民交通出版社，1987.

[8]左家强.大秦铁路开行2万t级重载列车对既有桥梁上部结构的影响[J].铁道标准设计，2006(1):43-45.

[9]凌夏青.铁路通用混凝土简支T梁的最小适用半径探讨[J].铁道标准设计，2008(10):53-55.

[10]宋广君.重载桥梁在混合车列作用下横向分布系数的计算方法研究[J].城市道桥与防洪，2012(8):314-316.

[11]中华人民共和国铁道部.TBl0002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和顶应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[12]中华人民共和国铁道部.TB10005—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

Design of Simply Supported T-beams with Small Radius Curve for Heavy-haul Railway LIANG Zheng-zhong

(Bridge Engineering Design Department, The Third Railway Survey and Design Institute

Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：The industrial siding railway is one kind of railway construction and developed rapidly recently, and the heavy-haul railway with small radius of curve tends to dominate. The industrial siding railway connected with Shanxi-Henan-Shandong Railway adopts 300 kN axle loading, in which the minimum curve radius of single line and double line is 300m and 600m respectively. The radiuses of curve adopted in the industrial siding railway mentioned above are out of the range of 32 m T-beam of general reference drawing, and the cost is much higher if smaller span simply supported T-beam or continuous box girder is adopted in design. The design scheme of heavy haul railway simply supported T-beam is put forward according to the characteristics of small radius of curve of heavy haul railway. Study is focused on the bias load analysis and calculation of heavy haul railway simply supported T-beam to find out applicable methods for bias dead load and bias live load calculation respectively. The normal operation of several industrial siding railways proves that the design scheme is reasonable and feasible.

Key words：Heavy haul railway; T-beam; Small radius of curve; Bias load calculation; Design

中图分类号：U239.1； U448.21+2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.018

文章编号：1004-2954(2016)02-0085-04

作者简介：梁正中(1984—)，男，工程师，2006年毕业于石家庄铁道学院，工学学士。

收稿日期：2015-06-29； 修回日期：2015-07-14