第５９卷第５期 铁道标准设计 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ Ｖｏ１．５９ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１５ ２０１５年５月 文章编号：１００４—２９５４（２０１５）０５—００９７—０３ 铁路简支槽形梁结构设计与动力仿真分析 王文博 （中铁第一勘察设计院集团有限公司，兰州７３００００） 摘 要：在我国铁路桥梁中，槽形梁的使用还较少。对敦格铁路１－３２ｍ槽形梁进行计算分析，并对其进行车桥耦合 动力仿真分析。根据计算分析的结论，得出设计的槽形梁断面及各项应力合理，车桥耦合动力特性满足现行规范 要求，为敦格铁路安全运营提供理论依据和科学参考，为槽形梁在我国铁路建设中的推广具有很强的借鉴意义。 关键词：敦格铁路；槽形梁；车桥耦合；仿真计算 中图分类号：Ｕ４４８．２１ ２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１３２３８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－－２９５４．２０１５．０５．０２２ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｇｉｒｄｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｓｉｍｐｌｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ ＷＡＮＧ Ｗｅｎ—ｂｏ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｆｉｒｓｔ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｌｔｄ．，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈａｎｎｅｌ ｇｉｒｄｅｒｓ ａｒｅ ｒａｒｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒａｉｌｗａｙ ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｄｕｃｔｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ １—３２ ｍ ｃｈａｎｎｅｌ ｇｉｒｄｅｒｓ ｏｎ Ｄｕｎｈｕａｎｇ—Ｇｅｅｒｍｕ ｒａｉｌｗａｙ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ／ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈａｎｎｅｌ ｇｉｒｄｅｒ ｇｒｏｏｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ／ｂｒｉｄｇｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ， ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｄｕｎｈｕａｎｇ—Ｇｅｅｒｍｕ ｒａｉｌｗａｙ’Ｓ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｒ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｆｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｇｉｒｄｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄｕｎｈｕａｎｇ—Ｇｅｅｒｍｕ ｒａｉｌｗａｙ；Ｃｈａｎｎｅｌ ｇｉｒｄｅｒｓ；Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｂｒｉｄｇｅ；Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕ】ａｔ；０ｎ 槽形梁是一种具有建筑高度低、节省路基土石方 工程投资、养护简便及减少噪声等优点的梁板组合预 析和车桥耦合分析。 敦格铁路在ＤＫ５８＋３４８．７处跨越涩宁兰天然气管 道，在保证线路高度总体合理的前提下，线路与管道立 交处填土高度约为３．６５ ｍ 。《铁路工程设计防火规 范》（ＴＢ１００６３－－２００７）要求新建桥梁梁底至埋置油气 管道的天然地面净高不小于２ ｍ，为此于此处设置 应力结构¨ 。这种结构在我国铁路已有一些实例，但 并未推广大规模使用，同时对于车辆通过梁体时的车 桥耦合问题无深入研究。以敦格铁路１—３２ ｍ简支槽 形梁的设计为切人点，重点介绍槽形梁的断面计算分 收稿日期：２０１４—０７—１０；修回日期：２０１４—０８—１１ 作者简介：王文博（１９８３一），男，工程师，２００６年毕业于兰州交通大学 土木工程专业，工学学士，Ｅ—ｍａｉｌ：４１２０４９２１０＠ｑｑ．ｃｏｍ。 １—３２ ｍ简支槽形梁跨越涩宁兰天然气管道 。在我 国已对普速铁路下发各类部颁参考图的背景下，此梁 的设计与车桥耦合分析为普速铁路简支槽形梁标准图 钢结构，２０１１（Ｓ）：３４４—３４７． ［２］ 芜湖长江大桥有限责任公司．芜桥建（１９９９）０５８号关于芜湖长 江大桥钢梁节点板缝规定的报告［Ｒ］．芜湖：芜湖长江大桥有限 责任公司，１９９９． ［６］ 中铁山桥集团有限公司．ＱＢ／ＴＸＺ－－２００６武汉天兴洲公铁两用 大桥长江大桥钢桁梁制造规则［Ｓ］．秦皇岛山海关：中铁山桥集 团有限公司，２００６． ［３］ 中铁宝桥集团有限公司．Ｑ／ＢＱ２１６一ｌ９９９芜湖长江大桥钢梁制 造规则［Ｓ］．宝鸡：中铁宝桥集团有限公司，１９９９． ［４］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０２０３－－２００２铁路桥涵施工规范 ［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００２． ［７］ 何亮．武汉天兴洲公铁两用长江大桥钢梁制造试制杆件焊接收缩 变形控制探讨［Ｊ］．钢结构，２００８，２３（３）：１９—２１． ［８］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０２１２－－２００９铁路钢桥制造规范 ［５］ 乔新旺．郑州黄河公铁两用桥边下弦整体节点杆件制造技术［Ｊ］． ［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００９． ９８ 铁道标准设计 第５９卷 的设计推广提供了一定的借鉴意义。 １ 槽形梁结构计算分析 １．１ 主要结构特点 槽形梁是一种梁板空间组合预应力结构，属于下 承式预应力桥梁，它由行车道床板、主梁及端横梁等部 分组成。当列车荷载作用在桥面上时，荷载通过道床 板传给主梁，再由主梁传到支座。槽形梁最大的特点 是能够有效降低桥梁建筑高度，其建筑高度主要取决 于行车道板的横向宽度，当桥梁跨度越大时，建筑高度 低的优势越明显 。在结构受力上，槽形梁属于开口 薄壁构件，具有受扭性能差，主梁腹板受力及主梁与道 床板连接构造复杂，桥面板弯矩受纵梁扭转刚度影响 较大等特点。 １．２ 结构计算 １．２．１ 尺寸拟定 主梁跨中梁高３．２ ｍ，支点梁高３．７ ｉｎ；上翼缘板 宽度为１．２０ ｍ，梁顶宽为８．９０ ｉｎ，梁底宽为８．１０ ｍ；道 床板顶面设２％的双面人字坡，板厚０．４５—０．９５ ｍ；跨 中腹板厚度０。５ ｍ，支点截面加厚至０．８０ ｍ 。见 图１。 １２０ ３２５ ． ３２５ １２Ｏ 兰 图１ 槽形梁跨中构造（单位：ｃｍ） １．２．２ 计算参数 主梁体采用Ｃ５５混凝土，混凝土弹性模量３．５５× １０ ＭＰａ，标准抗压强度３７．０ ＭＰａ，标准抗拉强度 ３．３０ ＭＰａ，容重采用２６．５ ｋＮ／ｍ 。道砟等二期恒载线 荷载集度采用８５ ｋＮ／ｍ（顺桥向）；混凝土瞬时徐变系 数 ＝０．８、滞后徐变系数，ｄ＝０．４、环境相对湿度采用 ７０％，混凝土平均加载龄期按１０ ｄ计，终极龄期按 １ ５００ ｄ计 。 纵向预应力钢绞线 ＝１ ８６０ ＭＰａ，弹性模量Ｅ ＝ １．９５￣１０ ＭＰａ，管道摩擦系数肛＝０．２３，管道偏差系数 ｊ｝＝０．００２ ５，一端锚具回缩６ ｍｍ，松弛损失 。 ＝ （０．５２０－ ／ｆｏｋ一０．２６） 。。 温度偏于安全考虑结构整体升温按２Ｏ℃计算， 降温按２５ ｏＣ（不含混凝土收缩徐变影响）计算。桥面 板升温根据铁路规范取５℃。主梁腹板内外日照温差 采用±５℃。混凝土线膨胀系数为０．０００ ０１。以上温 度模式按实际最不利情况组合。基本风压取 ７００ Ｐａ［ 。 １．２．３ 荷载组合 主力组合：结构重力＋二期恒载＋预加力＋收缩徐 变＋基础变位影响＋中一活载（包括离心力和摇摆力）。∞一０ 主力＋附加力组合：结构重力＋二期恒载＋预加力＋ 收缩徐变＋基础变位影响＋中一活载（包括离心力和摇 殛 主梁中心线一 ０ 摆力）＋温度作用＋风力＋制动力。 主力＋特殊荷载组合：结构重力＋二期恒载＋预加 堕 力＋收缩徐变＋基础变位影响＋中一活载（包括离心力和 摇摆力）＋地震荷载；结构重力＋二期恒载＋预加力＋收 ～ ８ ｌ． 缩徐变＋基础变位影响＋中～活载（包括离心力和摇摆 力）＋断轨力。 结构计算采用西南交大编制的《桥梁结构分析系 统》（ＢＳＡＳ）程序对主梁进行施工阶段和运营阶段的 纵向平面静力分析计算。三维实体单元分析采用 ＭＩＤＡＳ结构分析软件。全桥静力计算共划分３０个 单元。 １．３主要计算结果（表１～表４） 表１ 主梁控制截面正应力 ＭＰａ 表２ 主梁控制截面正截面强度 ＭＰａ 表３ 主梁控制截面正截面抗裂安全系数 表４ 静活载作用下主梁控制截面变形 荷载工况 中一活载 Ｌ／４截面／竖向，向下／ｒａｍ 一２．８ Ｌ／２截面／竖向，向下／ｍｍ —３．９ 梁端转角／ｒａｄ —０．５％ 过运梁车阶段最大剪应力为１．２９ ＭＰａ，截面抗弯 检算满足要求。道床板横向静力分析、腹板吊拉力分 析采用三维实体模型，利用实体模型的应力进行积分 求解内力，再根据内力进行配筋检算。 ２槽形梁动力仿真分析 ２．１ 耦合动力学模型简述 车辆对线路的动力影响问题，不仅仅是车辆或轨 第５期 王文博一铁路简支槽形梁结构设计与动力仿真分析 表５刚度及阻尼取值 ９９ 道某一系统的孤立问题，而是这两个系统相互关联的 耦合问题，因而必须从车辆一轨道整体系统的角度来考 察、分析问题 。 。简而言之，车辆一轨道耦合动力学理 论的基本思想是将车辆系统和轨道系统视为一个相互 作用、相互耦合的总体大系统，而将轮轨关系作为联接 这两个子系统的纽带 ］。我国铁路桥梁中，槽形梁使 用较少，对于车辆通过槽形梁时的动力仿真研究更少。 根据新建敦格铁路阳关２号中桥１～３２ ｍ槽形梁的运 营条件，建立了列车与轨道耦合动力学模型。 列车通过槽形梁时，其行车安全性与舒适性如何？ 轮轨动态相互作用是否存在异常？线形及线路参数的 动态匹配能否满足要求？运用现代机车车辆一轨道耦 合动力学理论，研究列车通过时的轮轨相互作用性能， 施工阶段 并进行动态安全评估分析，以期为工程实际提供理论 项目 舌束脱蓄 离垂支 。架 构个＝ 甬３ 秀月 施 工二期恒载 …… 指导和技术支撑，也为敦格铁路安全运营提供理论依 据和科学参考。 ２．２仿真计算条件（表５一表８） 表７ 车桥耦合振动分析工况汇总 表８ 车一桥动力仿真分析评判结果汇总 （Ｔｒａｉｎ／Ｔｒａｃｋ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ＳＩＭｕｌａｔｉｏｎ） 。本次动力仿 …型 鬟曩 真分析选用的机车车辆类型如下：ＤＦ４内燃机车牵引 Ｃ６２重车；ＳＳ８牵引准高速双层客车；ＤＦ１１内燃机车 牵引２５ ｔ直达列车。 计算时，客货列车速度分别选用１２０～１８０ ｋｍ／ｈ 及５０～８０ ｋｍ／ｈ。 根据分析计算，本桥自振频率为５．８３ Ｈｚ，由于本 桥为１—３２ ｍ槽形梁，两侧桥台刚度较大，无共振现象 发生，自振频率与行车速度无关。随着速度的提高，车 体横向振动加速度先减小，然后又增加；从垂向振动来 看，随着速度提高，垂向振动加速度增加；运营阶段顺 桥向位移为６ ｍｍ，横桥向４ ｍｍ。 在本梁的设计过程中，运用现代动力学仿真手段， 计算了车辆通过时的轮轨动态性能，并进行了评估分 析。研究结果表明：选用的３种机车以一定速度通过 时，各项动力学性能指标均满足安全限值与舒适性要 求。这也为槽形梁上的车桥耦合分析填补了空白。槽 形梁在竖向荷载作用下，空间受力表现在以下几个方 面，首先是道床板的剪力滞作用；其次是底板的双向弯 曲、扭转及剪切作用；同时可以得出支承情况对主梁的 受力影响不大，主梁翼缘在竖向荷载作用下产生向内 （下转第１０５页） 车桥耦合分析采用动力学仿真软件ＴＴＩＳＩＭ 第５期 谭富圣，于鹤然一新暗挖工法“超前模筑初期支护法”研究 １０５ 效果。 ［２］ 谭富圣．ＮＴＲ工法在地铁暗挖车站工程中的应用［Ｊ］．市政技术， ２００９，２７（３）：２８０—２８３． 除了前面提到的优点外，本新暗挖工法还需要在 以下几个方面进一步优化和完善，使该工法能够得到 广泛应用和推广。 （１）新暗挖工法需特别注意施工过程对钢管顶进 精度控制，需要研究更为精确控制钢管顶进的工艺及 设备，提高机械化水平。 ［３］ 金春福，阎石，钮鹏，等．新管幕结构肋梁斜截面抗剪性能非线性 有限元分析［Ｊ］．工程力学，２０１０（４）：２６９—２７３． ［４］ 阎石，王健，金春福，等．新管幕肋梁结构体系抗弯性能试验［Ｊ］． 沈阳建筑大学学报：自然科学版，２０１１，２７（２）：２４２—２４６． ［５］ 王健．新管幕肋梁结构体系静力性能试验研究［Ｄ］．沈阳：沈阳建 筑大学，２０１１． （２）钢管间连接部分的施工质量最为关键，需进 一［６］ 杨慧林．北京地区采用新管幕工法修建深埋地铁暗挖车站方案初 探［Ｊ］．铁道标准设计，２０１２（１２）：７２—７７． 步研究连接部位原状土挖除、混凝土浇筑的工艺，以 （３）本新暗挖工法相比较ＮＴＲ工法… ，顶管施工 ［７］ 刘维宁，张弥，邝明．城市地下工程环境影响的控制理论及其应用 ［Ｊ］．土木工程学报，１９９７，３０（５）：６６—７５． ［８］ 白明洲，许兆义，等．复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地 确保新型构件施工质量。 期间沉降更小，且无需在管内进行焊接、切割等作业， 面沉降量ＦＬＡＣ 分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（ｓ２）： ４２５４—４２５９． 但仍然需要人工进入钢管内作业，初期支护结构尺寸 不是受力控制而是实施条件控制，需进一步研究无需 人工进入钢管内作业工艺，如此可以使钢管直径进一 步减少，施工更简便且造价更有优势。 ［９］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．ＧＢ５００１０－－２０１０混凝土结 构设计规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５． ［１Ｏ］中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０００３－－２００５铁路隧道设计规范 ［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５． 参考文献： ［１］ 梁炯望．锚固与注浆技术手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社， ２００３：１４２—１４３， ［１１］中铁工程设计咨询集团有限公司．沈阳地铁２号线新乐遗址站施 工图设计［ｚ］．北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，２００８． （上接第９９页） ［５］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０００２．３—２ｏ０５铁路桥涵钢筋混凝 土和预应力钢筋混凝土结构设计规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版 社．２００５． 侧倾斜的水平位移；有必要的情况下设置端横梁能够 有效增加槽形梁端部的横向刚度，减小底板的横向弯 矩及槽形梁支点截面上的横向挠度。 ３ 结语 ［６］ 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． ［７］ 翟婉明．车辆一轨道耦合动力学［Ｍ］．３版．北京：科学出版 社．２００７． 槽形梁具有建筑高度低、降噪效果好、断面空间利 用率高、两侧主梁腹板能防止出轨车辆倾覆下落、施工 形式多样、外形美观、视觉效果好等优点。敦格铁路阳 ［８］ 翟婉明．车辆一轨道耦合动力学理论及其应用［Ｊ］．中国铁道科学， １９９６，１７（２）：５８—７３． ［９］ 王开云，翟婉明．车辆一轨道耦合动力学仿真软件ＴＴＩＳＩＭ及其试 验验证［Ｊ］．中国铁道科学，２００４，２５（６）：４８—５３． 关２号中桥采用１～３２ ｍ槽形梁，利用其建筑高度低 的优点成功解决了梁底距离天然气管道距离不足的问 ［１Ｏ］翟婉明．电传动车辆轮轨动力学性能研究［Ｊ］．车辆电传动， １９９６（６）：８—１１． 题，产生了良好的经济效益。依托已施工的１—３２ ｍ 槽形梁，对其断面设计的合理性及车桥耦合状况等进 行了详细的分析，结构计算结果及各项指标均满足相 关规范要求，结构设计合理。该梁的设计、施工及今后 ［１１］Ｓｈｅｎ Ｚ Ｙ，Ｈｅｄｒｉｃｋ Ｊ Ｋ，Ｅｌｋｉｎｓ Ｊ Ａ．Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｃｒｅｅｐ ｆｏｒｃｅ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ｒａｉｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｐｒｏｃ［Ｃ］／／８ｔｈ ＩＡＶＳＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＭＩＴ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，１９８３：５９１—６０５． ［１２］Ｚｈａｉ Ｗａｎｍｉｎｇ．Ｔｗｏ ｓｉｍｐｌｅ ｆａｓｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，３９（２４）：４１９９—４２１４． ［１３］Ｊｅｎｋｉｎｓ Ｈ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｒａｃｋ ａｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ 的运营能够为槽形梁在我国铁路建设中的推广具有较 好的借鉴意义。 参考文献： ［１］李喜平，严爱国，张池权，等．沪通铁路（８０＋１０８＋８０）ｍ连续槽形 梁方案研究［Ｊ］．铁道标准设计，２０１３（５）：４４—４５． ［２］ 田卿，刘丹，戴公连．铁路简支槽形梁横向抗弯设计方法研究［Ｊ］． 铁道标准设计，２０１２（４）：４９—５３． ［３］ 陈铭．铁路预应力混凝土槽形梁研究［Ｊ］．铁道标准设计，２００９ （６）：３９—４１． ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｏｒｃｅｓ［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ， １９７４，３（１）：２—１６． ［１４］中华人民共和国铁道部．ＴＢ／Ｔ２３６０－－９３铁道机车动力学性能试 验鉴定方法及评定标准［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，１９９３． ［１５］中华人民共和国铁道部．ＧＢ５５９９－－８５铁道车辆动力学性能评定 和试验鉴定规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，１９８５． ［１６］翟婉明．货物列车动力学性能评定标准的研究与建议方案（一～ 三）［Ｊ］．铁道车辆，２００２，４０（１—３）． ［４］缪文辉，何涛．兰新二线风区槽形梁设计分析［Ｊ］．铁道标准设计， ２０ｌＯ（Ｉ１）：４４—４７．