跨既有鐵路橋梁施工的固定式防護(hù)結(jié)構(gòu)抗碰撞性能分析

陳 強(qiáng)，上官濤

(1.蒙西華中鐵路股份有限公司，北京 100073;2.中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京 100844)

某鐵路簡(jiǎn)支梁橋上跨既有電氣化鐵路線，屬于線路交叉施工工程。該鐵路線交通運(yùn)輸繁忙，現(xiàn)場(chǎng)不具備滿堂支架施工條件，采用架橋機(jī)架設(shè)施工。為確保工程施工不影響既有電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)，也為了保證施工安全，防止觸電，需在既有線上方搭設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，由鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾院筒恢袛嘈詫?duì)防護(hù)裝置提出了更高的要求。目前常用的防護(hù)裝置有兩種:移動(dòng)式防護(hù)結(jié)構(gòu)和固定式防護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于采用架橋機(jī)架設(shè)的跨線鐵路橋，由于存在較大的防護(hù)面積，常采用固定式防護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 固定式防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 固定式防護(hù)結(jié)構(gòu)要求

防護(hù)結(jié)構(gòu)主要作用是防止墜落物對(duì)既有線設(shè)備造成損壞，同時(shí)防止施工人員接觸鐵路電網(wǎng)，發(fā)生觸電事故，因此，防護(hù)范圍須涵蓋所有施工作業(yè)面內(nèi)可能發(fā)生墜落物的所有面積。

防護(hù)結(jié)構(gòu)中防電棚除了承受自身荷載外，需要承受一定的沖擊作用(墜落物)。靜力性能計(jì)算以結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性作為控制要點(diǎn)，同時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力力學(xué)行為。

防護(hù)結(jié)構(gòu)在滿足其功能要求的前提下，需要進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)計(jì)算，確保防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全及穩(wěn)定性指標(biāo)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

既有鐵路線橫向尺寸較大，路基間空間小，無(wú)法在路基間埋設(shè)管樁，使防電棚設(shè)計(jì)面臨大跨度的技術(shù)難題;下行電氣化線路屬于交通樞紐線路，為防止墜落物對(duì)既有鐵路線路造成危險(xiǎn)，必須確保防電棚結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性能，尤其是抗碰撞能力。設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)防電棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的碰撞力學(xué)分析，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

在抗沖擊性能計(jì)算方面，常規(guī)的方法是考慮墜落物的沖擊系數(shù)，以自重乘以沖擊系數(shù)的方法來(lái)近似模擬碰撞發(fā)生時(shí)的沖擊效應(yīng)。由于墜落物的墜落高度及碰撞發(fā)生位置等不確定因素的影響，使得單純按照沖擊系數(shù)的方式來(lái)考慮沖擊效應(yīng)存在很大的誤差，實(shí)際工程中可能隱伏較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來(lái)確定可能發(fā)生的最大墜落高度，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)的影響線分析來(lái)確定計(jì)算時(shí)考慮的最不利墜落位置，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的動(dòng)力計(jì)算非常必要。

1.3 固定式防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地勘察，提出了防電棚的設(shè)計(jì)方案如下:

1)防電棚結(jié)構(gòu)為3跨，跨度組成為12.0 m+21.0 m+9.0 m。

2)整體結(jié)構(gòu)由下而上為:樁基礎(chǔ)、鋼管立柱、工字鋼墊梁、貝雷梁、分配工字鋼和防電棚;結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)為:采用鋼管立柱支撐，鋼管立柱之間用I14b工字鋼進(jìn)行連接，在立柱頂部放置雙拼I40b工字鋼，作為其上方標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)在貝雷梁上放置I20b工字鋼支承上面的防電棚鋼板。防電棚結(jié)構(gòu)的縱斷面圖和橫斷面圖見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 防電棚結(jié)構(gòu)縱斷面

圖2 防電棚結(jié)構(gòu)橫斷面(單位:mm)

2 防護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 抗沖擊性能分析模型

有限元模型:防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能分析采用通用有限元計(jì)算軟件ABAQUS，模型中主要采用了板單元(模擬防電棚鋼板構(gòu)件)和梁?jiǎn)卧?模擬鋼管立柱、工字鋼、貝雷梁等其他構(gòu)件)，整體計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

2.2 荷載及計(jì)算工況說(shuō)明

圖3 ABAQUS整體有限元模型

1)計(jì)算荷載。本計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)自重和重物沖擊荷載。自重荷載由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量乘以重力加速度，由程序自動(dòng)計(jì)入;重物沖擊荷載根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)查，重物落至防電棚的垂直距離不超過(guò)2 m，施工中可能的墜落物主要是一些鋼板、鋼筋及小型施工機(jī)具等物件。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和各方討論后最終確定了墜落物的計(jì)算質(zhì)量為1.0 t。在模型計(jì)算時(shí)將重物考慮為一具有初速度的剛體，初速度為重物自由落體2 m后具有的速度值(即6.3 m/s)。

2)最不利作用位置。橋梁計(jì)算以荷載作用下的最大值作為其設(shè)計(jì)控制值，實(shí)際物體墜落在防電棚上的位置是離散的，即任何位置都可能發(fā)生。為確定最不利發(fā)生位置，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行影響線分析，找出影響線加載的最大點(diǎn)，從而得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制效應(yīng)值。

本方案設(shè)計(jì)中，貝雷梁作為主要的跨越構(gòu)件，為主要受力構(gòu)件。計(jì)算時(shí)，重物墜落的縱向位置主要是根據(jù)單排貝雷架模型在移動(dòng)荷載下的影響線中最大效應(yīng)的位置來(lái)選擇的，單排貝雷架的模型見(jiàn)圖4，通過(guò)影響線最不利效應(yīng)分析，最終確定了重物墜落在臨時(shí)支架沿縱向約18.8 m處。

由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)需充分考慮其空間效應(yīng)，因此又進(jìn)一步確定了重物墜落由于橫向位置變化而產(chǎn)生的不同效應(yīng)，即考慮墜落時(shí)的正載和偏載兩種最不利狀況。兩種狀況下的荷載作用如圖5和圖6所示。

圖4 單排貝雷架模型

圖5 整體結(jié)構(gòu)荷載正載情況

圖6 整體結(jié)構(gòu)荷載偏載情況

3)計(jì)算工況。墜落物下落過(guò)程在未接觸防電棚時(shí)，結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生沖擊效應(yīng);至墜落物與結(jié)構(gòu)接觸后方開(kāi)始產(chǎn)生沖擊效應(yīng)。即本分析計(jì)算考慮以下兩種工況:重物未接觸防電棚鋼板(工況1)，重物尚在空中，未對(duì)防電棚產(chǎn)生沖擊力，整體結(jié)構(gòu)只受到自重的作用;重物墜落接觸防電棚鋼板，包括正載和偏載(工況2)，重物接觸防電棚的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，且接觸過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，本次沖擊計(jì)算時(shí)間取0.05 s。在這個(gè)過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)不僅有自重作用，同時(shí)還要承受重物的動(dòng)態(tài)沖擊荷載。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

1)結(jié)構(gòu)僅承受自重作用。整體結(jié)構(gòu)僅在自重作用下的變形和應(yīng)力如圖7和圖8所示，此時(shí)最大變形為5.3 mm，最大應(yīng)力為41.9 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在支撐處的貝雷梁上。

2)結(jié)構(gòu)承受正載作用。結(jié)構(gòu)承受沖擊荷載時(shí)其力學(xué)行為是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，該過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力變化歷程如圖9所示，在0.025 s時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大而后漸趨平穩(wěn)。該時(shí)刻結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如圖10所示，最大應(yīng)力值為72.8 MPa，發(fā)生在左側(cè)鋼管支撐處的貝雷梁上(重物沖擊對(duì)應(yīng)的貝雷梁)。

3)結(jié)構(gòu)承受偏載作用。偏載作用下整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力變化歷程如圖11所示，在0.025 s時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大而后漸趨平穩(wěn)。該時(shí)刻結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力如圖12所示，最大應(yīng)力值為72.4 MPa，發(fā)生在左側(cè)鋼管支撐處的貝雷梁上(重物沖擊對(duì)應(yīng)的貝雷梁)。

圖7 結(jié)構(gòu)變形情況(最大5.3 mm)

圖8 結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況(最大值41.9 MPa)

圖9 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力歷時(shí)曲線(沖擊)

圖10 0.025 s時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力(最大值72.8 MPa)

圖11 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力歷時(shí)曲線(偏載)

圖12 0.025 s時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力(最大值72.4 MPa)

綜合分析防電棚結(jié)構(gòu)的自重荷載及重物沖擊荷載作用下的變形及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，該防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定狀態(tài)均滿足上部橋梁的施工要求，設(shè)計(jì)方案可靠。

3 結(jié)論

整體結(jié)構(gòu)在自重作用下最大變形為5.3 mm，最大應(yīng)力為41.9 MPa;在正載及偏載作用下，沖擊計(jì)算時(shí)間為0.025 s時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到最大，隨后漸趨平穩(wěn)，最大應(yīng)力值分別為72.8 MPa和72.4 MPa，位置均在重物沖擊對(duì)應(yīng)的貝雷梁處。綜合分析抗沖擊性能計(jì)算結(jié)果可知，該防護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全及剛度均滿足上跨橋梁的施工要求。

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