鐵路框構頂進工程接觸網支架改移方案設計

王雨權

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 工程概況

天津市規劃公路與津山鐵路相交，為了使公路工程順利進行，必須在相交處實施框構頂進工程。頂進框構結構寬64m，框構頂部鐵路線路狀況復雜，共有12股道。

在該處，既有鐵路為電氣化鐵路，由于框構寬度較大，在施工的時候，原有的接觸網支柱需要進行改移，改移方案如圖1所示，即將原073、130、077、138號接觸網分別外移到編號為 X001、X003、X001、X004、X006的新位置。在X001和X004之間以及X003和X006之間分別假設兩個鋼梁，然后在兩鋼梁之間拉接觸網線。以代替原075號和132號、134號之間的接觸網。

所改造的接觸網對兩側鋼橋分別作用有豎直向下的力4.1 kN，水平垂直于線路方向的力109 kN。所設計鋼梁的梁底要高于軌面高度6.4m，鋼梁的梁頂高于軌面高度7.56m。

圖1 接觸網改造示意

2 鋼梁設計方案

綜合上述工程狀況及接觸網改造的要求，設計的鋼梁及鋼墩方案的立面如圖2所示，橫截面采用2m×2m，材料采用Q235角鋼，其中，上下弦及鋼墩的主受力桿件采用雙角鋼，尺寸為200 mm×200 mm×24 mm，腹桿采用160 mm×160 mm×14 mm的單角鋼。計算時考慮溫度應力的作用，為了控制溫度應力，鋼梁與橋墩之間用支座聯結，跨度76m。計算采用midas有限元計算軟件進行計算，根據擬定的設計方案建立的有限元模型如圖3所示。

圖2 鋼梁立面示意(單位:mm)

圖3 鋼梁有限元計算模型

3 計算荷載分析

利用有限元模型分析計算時，分別考慮如下的荷載。

①自重。

②接觸網作用水平拉力:103+6=109 kN。

③接觸網作用豎向拉力:4.1 kN。

④鋼梁所受橫向水平風力。

橋梁上的的風荷載強度計算公式為

根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)的附錄 D可得，天津地區的基本風壓 W0=600 Pa，k1為風載體形系數，根據規范取1.3;k2為風壓高度變化系數，本處鋼梁離地面的高度≤20m，根據規范取1.0;k3為地形、地理條件系數，本工程所在地屬于一般平坦空曠地區，根據規范取1.0。

根據規范規定，鋼桁梁及鋼塔架橫向風力的受風面積應按橋跨結構理論:輪廓面積乘以0.4計算。按照上述規定計算得到的總荷載均勻分布到每一個桁架節點上，橫梁部分共110個節點，所以每一個節點的橫向風力為鋼梁墩按照高7m計算(考慮最底部的1m在軌面以下)，每一個墩的節點數為19個，所以每一個節點的橫向風力為

⑤鋼梁所受縱向水平風力

可得縱向力為

⑥溫度力

規范規定，橋梁結構需計算均勻溫差和日照溫差引起的變形和應力，考慮到該框構將在冬季施工，計算時取單元升溫50℃，降溫35℃分別計算，并且要控制鋼梁的合龍溫度在10℃～20℃之間進行。

⑦主力工況

計算主力時，分別將自重、接觸網水平力和接觸網豎向力作為主力的構成部分。

⑧主力+風力工況

分別計算主力和橫向風及主力與縱向風的組合，允許應力提高系數為1.2。

⑨主力+風力+溫度應力工況

在主力+風力工況的基礎上，加上溫度荷載(分升溫50℃和降溫35℃兩種情況考慮)。

4 強度驗算

在鋼材材料采用Q235qD的情況下，主桁單元采用等邊雙角鋼，尺寸為200 mm×200 mm×24 mm，綴條采用等邊角鋼，尺寸為160 mm×160 mm×14 mm。計算模型采用桁架單元，故計算單元的應力允許值應該采用規范中的軸向應力允許值。根據規范，角鋼厚度小于16 mm時，允許應力不需要折減，故采用135 MPa，大于16 mm時，需要折減，且折減方法按照屈服點的比例進行計算。由《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)的附錄 A可知，對于 Q235qD鋼材，大于16 mm的屈服點為225 MPa，小于16 mm的鋼材的屈服點為235 MPa。所以對于200 mm×200 mm×24 mm的角鋼的允許值為

160 mm×160 mm×14 mm角鋼的允許值為135 MPa。

表1是結構在幾種工況下，鋼梁的上下弦桿的應力計算值，表2為結構在幾種工況下腹桿的應力計算值(表中應力的單位為MPa)。

表1 上下弦桿應力計算值 MPa

表2 腹桿應力計算值 MPa

從計算結果可以看出，鋼梁在各種荷載作用下滿足強度要求，并且控制單元在鋼梁的跨中位置。對于主力工況作用下，拉應力最大值為120.26 MPa，壓應力的最大值為93.57 MPa，相對于其他幾種荷載工況，比較接近應力允許值。對于腹桿來說，在各種工況下的應力值均有一定的安全度，所以強度指標不控制腹桿。

下面是幾種應力較大工況荷載作用下的計算結果，如圖4至圖6所示，圖中所示的極值已經提取到表1、表2中。

圖4 主力工況下的應力結果

圖5 主力+橫向風力+升溫工況下的應力結果

圖6 主力+橫向風力+降溫工況下的應力結果

5 撓度計算

接觸網的懸掛架和電力線有高度要求，而鋼梁在各個方向的撓度值，勢必影響到接觸網電力線的最終高程。為了給接觸網設計高度提供依據，需要分別計算各種荷載工況下，鋼梁在懸掛架及電力線位置的撓度值。

表3為根據計算結果提取的鋼梁在各種荷載工況下的撓度值。

表3 撓度計算值

從表3中可以看出，在各種荷載工況下，鋼梁在各個方向的撓度值比較大，設計時需要據此設置預拱度，并且接觸網計算最終高程時，需要考慮該撓度的影響。

6 穩定性驗算

根據規范規定，鋼結構需要驗算各種荷載工況下的穩定性。穩定性驗算的對象是桿件受壓較大的部位，并且需要對弦桿和腹桿分別進行驗證計算，下面分別對不同桿件進行穩定性驗算。

6.1 上下弦單元的穩定性驗算

鋼梁上下弦桿的單元為雙角鋼結構，角鋼之間背靠背焊接，如圖7所示。

圖7 弦桿雙角鋼截面示意

從表1可以看出，對穩定起控制性的工況為:主力+橫向(縱向)風力+溫度力(升溫)，此時桿件的最大壓應力為123.6 MPa，現分別按繞x軸和y軸進行驗算。

(1)繞x軸的穩定性

根據鋼梁的結構特點及《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)的表5.1.1的規定，該桿件的計算長度為2m=200 cm。弦桿的截面示意圖如圖5所示，根據角鋼型號，可以查型鋼表得到該截面的面積為181.32 cm2;

繞x軸(x軸和y軸均為雙角鋼的慣性軸)的慣性矩為Ix=2×3 338=6 676 cm4;

可得該截面繞x軸的回轉半徑為

可得長細比λx=200/6.06=33。

該值小于《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)的表5.2.1的規定的允許長細比100。

根據規范表3.2.6得:穩定性折減系數為0.878。

123.6≤0.878×129.25×1.2=136.1 MPa

繞x軸滿足穩定性要求。

(2)繞y軸的穩定性

下面按照類似的方法求解繞y軸的穩定性，計算過程如下

面積A=2×90.66=181.32 cm2;

查《鐵路橋梁鋼結構設計規范》表3.2.6可得:φ1=0.9;

123.6≤0.9×129.25×1.2=139.6 MPa

繞y軸滿足穩定性要求。

6.2 腹板單元的穩定性驗算

腹桿單元為標準角鋼，其幾何參數可以查表得到，角鋼尺寸為160 mm×160 mm×14 mm的最小回轉半徑為iy=3.16。所以可得長細比為

查《鐵路橋梁鋼結構設計規范》可得:φ1=0.598。

主力情況下:

φ1×135=0.598×135=80.73＞47.8;

滿足要求。在主力+附加力情況下:

φ1×135×1.2=0.598×135×1.2=96.9＞52.4;

滿足要求。

7 結束語

根據工程實際狀況和接觸網設置要求，經過反復優化設計，設計出的鋼梁結構經過強度驗算、撓度驗算和穩定性驗算，結果表明，該鋼梁用于本工程接觸網的改移滿足要求。

［1］TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］

［2］TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］

［3］李富文，伏魁先，劉學信．鋼橋［M］．北京:中國鐵道出版社，2002

［4］鐵道專業設計院．鋼橋［M］．北京:中國鐵道出版社，2003