线路架空施工中横穿梁的受力分析

孙 键

(武汉铁路局,武汉 430063)

线路架空施工中横穿梁的受力分析

孙 键

(武汉铁路局,武汉 430063)

在营业线上进行线路架空作业是一项广泛使用且存在很大风险的作业。对在架空施工中经常使用的横穿梁架空的应力分布情况进行了分析和检算,取得了大量的试验数据,对保证线路架空施工作业安全有较好的指导和借鉴意义。

线路架空 横穿梁 有限元

1 横穿梁架空概述

近年来,横穿梁架空在营业线线路架空作业中得到了非常广泛的应用,逐步取代了以往使用横向轨束梁架空的方式。在一定跨度范围内,比其它类型的梁能节约钢材达 10%～20%。同时其抗扭刚度与横向刚度较大,制造、安装及维护也较简易,外形简洁,如图1。但由于横穿梁在使用中存在局部失稳,腹板稳定等问题,需进一步改进。为此,选取了单根横穿梁进行应力分析,对梁的选型、设计、制造及使用提供一定的依据。

图 1 横穿梁的实际应用

2 横穿梁的应力计算条件

按照最不利情况确认横穿梁的应力计算条件,在简化的中—活载力学模型下其基本参数为：①16M n钢强度[σ]=240 M P a。②横向跨度Lp=4.4 m。③刚度条件 f＜Lp/250。④轨枕铺设1 840根/k m。⑤在线路横断面,架空设备的横穿梁横向跨度 Lp为 4.4m,轨距为1 435 m m,钢轨中心距为 1.508 m。其布置见图 2。

图2 横穿梁的纵断面布置(单位：c m)

3 有限元计算

在确定了横穿梁的整个架空设备方案和基本截面后,用有限元方法对架空设备进行了三维有限元结构分析。横穿梁为自制钢箱形梁,横向跨距 4.4 m,梁长5 m,梁间距 1.1 m,纵向轨束梁由两排“七扣一组”的43 k g/m钢轨组成,下面以枕木垛支撑,两排纵向轨束梁中心距 4.4 m,枕木垛横向跨距 4.4 m,纵向跨距3.3 m,钢轨为 60 k g/m轨,钢轨与横穿梁,横穿梁与纵束梁之间有简易扣件联接,原钢轨底部枕木视为支撑链杆、间距 0.54 m。正线钢轨为 60 k g/m轨,纵束梁由 7根 43 k g/m轨集束而成。43 k g/m钢轨截面特征：钢轨上部截面系数 Wf=208 c m3;钢轨对水平轴的惯性矩 Jx=1 489 c m4;钢轨下部截面系数 Wg=217 c m3;钢轨对竖直轴的惯性矩 Jy=260 c m4。60 k g/m钢轨截面特征：Wf=339 c m3;Jx=3 217 c m4;Wg=396 c m3;Jy=524 c m4。摩擦系数：钢对橡胶 f=0.8;钢对木材 f=0.4。中—活载;东风 4荷载(D F 4);速度系数α=0.6v/100=0.3(v=50 k m/h);偏载系数 β=0.002ΔH=0.15(ΔH=75 m m);横向水平力系数 f=1.6(曲线半径 600 m时)。

正线钢轨架空设备结构简单,但传力过程很复杂。传力过程为车轮传向钢轨,钢轨上的荷载部分传向横穿梁,传递到横穿梁的力是通过钢轨与横穿梁的接触面上传正压力及其摩擦力。由于摩擦力是可变的,且不可超过最大静摩擦力,因此该问题为非线性问题。在此,各接触面上梁的联接视为球铰联接,当摩擦力达到静摩擦力时,各接触面上只传递正压力,摩擦力只是由正压力确定。建立有限元模型见图 3。

在计算架空设备时,计算时是按静力平衡计算,列车以限速通过架空地段。在 80 k P a-300 k P a-80 k P a地基工况情况下,有限元计算后横穿梁的 V o nM i s e s应力见图 4。

图 4 横穿梁变形及其V o nMi s e s应力分布

通过计算,钢轨底部的横穿梁上翼板处应力最大,应力在 230 M P a以上,且横穿梁与钢轨底部外侧翼缘呈线性接触。接触处的最大应力为 492.3 M P a,属于接触应力,该应力应除去动载系数,作为接触应力校核即为 339.5 M P a,另钢轨底部处的横穿梁在局部区域内应力梯度变化很大,说明此处有应力集中现象。

横穿梁上翼板上开槽部分,位于钢轨内外侧,其上的应力在于 210～220 M P a之间,按 16M n钢板厚度在4～20 m m之间允许应力[σ]=240 M P a校核,其结果为安全。

在两槽口之间的上翼板其应力在 150～190 M P a之间 ＜[σ],属于安全范围。在槽的钢轨外侧部分的上翼板上,应力在 130～170 M P a,属于安全范围。隔板中间主槽外侧应力在 70～130 M P a之间,均在安全范围。

横穿梁的腹板上,在从两头数的第三隔板之间的上部应力较大,在 130～190 M P a之间。在两端与纵束梁支撑处,应为在 130～140 M P a之间。从该处到与钢轨接触处一斜带状区域的应力在70～90 M P a之间,其余部分的应力均 ＜70 M P a,因此,腹板上的应力均 ＜[σ],均在安全范围。

下翼板上,在与纵束梁接触处,应力在 130～180 M P a之间,在两钢轨之间的下翼板上应力在 50～60 M P a之间,其部分应均 ＜50 M P a。因此,下翼板强度在安全范围内。

横穿梁上的隔板上的应力均在 50 M P a以下,其对侧腹板加强起了很大作用。

4 结论

1)横穿梁除在钢轨底部接触应力较大外,其余部位强度属于安全,其整体与局部稳定。为了减轻钢梁的重量,可不需下翼板加厚板,及应力小的部位镂空,但应以满足刚度条件为前提。横穿梁与钢轨接触处,应安设加强筋,可改善此处的受力条件。

2)基础条件越好,架空设备整体作用越强,则其上各构件越趋于安全,在基础弱时,架空设备的变形增大,相互接触面积减小,局部应力增大,影响整体稳定。因此架空设备联接部位要进行加固,在地基条件较弱时,尤为重要。

3)由于在实际工作中,架空设备的整体结构较为松散,给其整体三维有限元电算分析带来一些困难,但对适应限速线路架空设备进行整体三维有限元电算分析,是一种有益的尝试。

[1]王聚山.基于布西奈斯克及明德林解答的复合地基附加应力解析法探讨[J].铁道建筑,2006(8)：75-76.

[2]吴雪宁,杨松.影响 B V型系列桥梁振动检测仪测量结果的几个因素[J].铁道工务,2004(2)：10-11.

U 449.52

B

1003-1995(2010)02-0004-02

2009-09-11;

2009-11-20

孙键(1975— ),男,湖北武汉人,高级工程师,硕士。

(责任审编 白敏华)