孫 鍵

(武漢鐵路局,武漢 430063)

線路架空施工中橫穿梁的受力分析

孫 鍵

(武漢鐵路局,武漢 430063)

在營(yíng)業(yè)線上進(jìn)行線路架空作業(yè)是一項(xiàng)廣泛使用且存在很大風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)。對(duì)在架空施工中經(jīng)常使用的橫穿梁架空的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析和檢算,取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)保證線路架空施工作業(yè)安全有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

線路架空 橫穿梁 有限元

1 橫穿梁架空概述

近年來,橫穿梁架空在營(yíng)業(yè)線線路架空作業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用,逐步取代了以往使用橫向軌束梁架空的方式。在一定跨度范圍內(nèi),比其它類型的梁能節(jié)約鋼材達(dá) 10%～20%。同時(shí)其抗扭剛度與橫向剛度較大,制造、安裝及維護(hù)也較簡(jiǎn)易,外形簡(jiǎn)潔,如圖1。但由于橫穿梁在使用中存在局部失穩(wěn),腹板穩(wěn)定等問題,需進(jìn)一步改進(jìn)。為此,選取了單根橫穿梁進(jìn)行應(yīng)力分析,對(duì)梁的選型、設(shè)計(jì)、制造及使用提供一定的依據(jù)。

圖 1 橫穿梁的實(shí)際應(yīng)用

2 橫穿梁的應(yīng)力計(jì)算條件

按照最不利情況確認(rèn)橫穿梁的應(yīng)力計(jì)算條件,在簡(jiǎn)化的中—活載力學(xué)模型下其基本參數(shù)為：①16M n鋼強(qiáng)度[σ]=240 M P a。②橫向跨度Lp=4.4 m。③剛度條件 f＜Lp/250。④軌枕鋪設(shè)1 840根/k m。⑤在線路橫斷面,架空設(shè)備的橫穿梁橫向跨度 Lp為 4.4m,軌距為1 435 m m,鋼軌中心距為 1.508 m。其布置見圖 2。

圖2 橫穿梁的縱斷面布置(單位：c m)

3 有限元計(jì)算

在確定了橫穿梁的整個(gè)架空設(shè)備方案和基本截面后,用有限元方法對(duì)架空設(shè)備進(jìn)行了三維有限元結(jié)構(gòu)分析。橫穿梁為自制鋼箱形梁,橫向跨距 4.4 m,梁長(zhǎng)5 m,梁間距 1.1 m,縱向軌束梁由兩排“七扣一組”的43 k g/m鋼軌組成,下面以枕木垛支撐,兩排縱向軌束梁中心距 4.4 m,枕木垛橫向跨距 4.4 m,縱向跨距3.3 m,鋼軌為 60 k g/m軌,鋼軌與橫穿梁,橫穿梁與縱束梁之間有簡(jiǎn)易扣件聯(lián)接,原鋼軌底部枕木視為支撐鏈桿、間距 0.54 m。正線鋼軌為 60 k g/m軌,縱束梁由 7根 43 k g/m軌集束而成。43 k g/m鋼軌截面特征：鋼軌上部截面系數(shù) Wf=208 c m3;鋼軌對(duì)水平軸的慣性矩 Jx=1 489 c m4;鋼軌下部截面系數(shù) Wg=217 c m3;鋼軌對(duì)豎直軸的慣性矩 Jy=260 c m4。60 k g/m鋼軌截面特征：Wf=339 c m3;Jx=3 217 c m4;Wg=396 c m3;Jy=524 c m4。摩擦系數(shù)：鋼對(duì)橡膠 f=0.8;鋼對(duì)木材 f=0.4。中—活載;東風(fēng) 4荷載(D F 4);速度系數(shù)α=0.6v/100=0.3(v=50 k m/h);偏載系數(shù) β=0.002ΔH=0.15(ΔH=75 m m);橫向水平力系數(shù) f=1.6(曲線半徑 600 m時(shí))。

正線鋼軌架空設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但傳力過程很復(fù)雜。傳力過程為車輪傳向鋼軌,鋼軌上的荷載部分傳向橫穿梁,傳遞到橫穿梁的力是通過鋼軌與橫穿梁的接觸面上傳正壓力及其摩擦力。由于摩擦力是可變的,且不可超過最大靜摩擦力,因此該問題為非線性問題。在此,各接觸面上梁的聯(lián)接視為球鉸聯(lián)接,當(dāng)摩擦力達(dá)到靜摩擦力時(shí),各接觸面上只傳遞正壓力,摩擦力只是由正壓力確定。建立有限元模型見圖 3。

在計(jì)算架空設(shè)備時(shí),計(jì)算時(shí)是按靜力平衡計(jì)算,列車以限速通過架空地段。在 80 k P a-300 k P a-80 k P a地基工況情況下,有限元計(jì)算后橫穿梁的 V o nM i s e s應(yīng)力見圖 4。

圖 4 橫穿梁變形及其V o nMi s e s應(yīng)力分布

通過計(jì)算,鋼軌底部的橫穿梁上翼板處應(yīng)力最大,應(yīng)力在 230 M P a以上,且橫穿梁與鋼軌底部外側(cè)翼緣呈線性接觸。接觸處的最大應(yīng)力為 492.3 M P a,屬于接觸應(yīng)力,該應(yīng)力應(yīng)除去動(dòng)載系數(shù),作為接觸應(yīng)力校核即為 339.5 M P a,另鋼軌底部處的橫穿梁在局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力梯度變化很大,說明此處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

橫穿梁上翼板上開槽部分,位于鋼軌內(nèi)外側(cè),其上的應(yīng)力在于 210～220 M P a之間,按 16M n鋼板厚度在4～20 m m之間允許應(yīng)力[σ]=240 M P a校核,其結(jié)果為安全。

在兩槽口之間的上翼板其應(yīng)力在 150～190 M P a之間 ＜[σ],屬于安全范圍。在槽的鋼軌外側(cè)部分的上翼板上,應(yīng)力在 130～170 M P a,屬于安全范圍。隔板中間主槽外側(cè)應(yīng)力在 70～130 M P a之間,均在安全范圍。

橫穿梁的腹板上,在從兩頭數(shù)的第三隔板之間的上部應(yīng)力較大,在 130～190 M P a之間。在兩端與縱束梁支撐處,應(yīng)為在 130～140 M P a之間。從該處到與鋼軌接觸處一斜帶狀區(qū)域的應(yīng)力在70～90 M P a之間,其余部分的應(yīng)力均 ＜70 M P a,因此,腹板上的應(yīng)力均 ＜[σ],均在安全范圍。

下翼板上,在與縱束梁接觸處,應(yīng)力在 130～180 M P a之間,在兩鋼軌之間的下翼板上應(yīng)力在 50～60 M P a之間,其部分應(yīng)均 ＜50 M P a。因此,下翼板強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)。

橫穿梁上的隔板上的應(yīng)力均在 50 M P a以下,其對(duì)側(cè)腹板加強(qiáng)起了很大作用。

4 結(jié)論

1)橫穿梁除在鋼軌底部接觸應(yīng)力較大外,其余部位強(qiáng)度屬于安全,其整體與局部穩(wěn)定。為了減輕鋼梁的重量,可不需下翼板加厚板,及應(yīng)力小的部位鏤空,但應(yīng)以滿足剛度條件為前提。橫穿梁與鋼軌接觸處,應(yīng)安設(shè)加強(qiáng)筋,可改善此處的受力條件。

2)基礎(chǔ)條件越好,架空設(shè)備整體作用越強(qiáng),則其上各構(gòu)件越趨于安全,在基礎(chǔ)弱時(shí),架空設(shè)備的變形增大,相互接觸面積減小,局部應(yīng)力增大,影響整體穩(wěn)定。因此架空設(shè)備聯(lián)接部位要進(jìn)行加固,在地基條件較弱時(shí),尤為重要。

3)由于在實(shí)際工作中,架空設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)較為松散,給其整體三維有限元電算分析帶來一些困難,但對(duì)適應(yīng)限速線路架空設(shè)備進(jìn)行整體三維有限元電算分析,是一種有益的嘗試。

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[2]吳雪寧,楊松.影響 B V型系列橋梁振動(dòng)檢測(cè)儀測(cè)量結(jié)果的幾個(gè)因素[J].鐵道工務(wù),2004(2)：10-11.

U 449.52

B

1003-1995(2010)02-0004-02

2009-09-11;

2009-11-20

孫鍵(1975— ),男,湖北武漢人,高級(jí)工程師,碩士。

(責(zé)任審編 白敏華)