無縫線路大跨簡支梁橋橋墩線剛度優(yōu)化

摘要： 為獲得大跨高墩長聯(lián)橋上無縫線路設(shè)計的控制因素，探討了大跨高墩長聯(lián)橋墩臺線剛度的合理取值.基于橋上無縫線路力的傳遞機(jī)理，建立了鋼軌主梁橋墩基礎(chǔ)一體化力學(xué)模型；利用APDL參數(shù)化語言對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，建立了參數(shù)化優(yōu)化模型，編制了橋墩線剛度優(yōu)化程序.結(jié)合實際工程，分析了跨度64 m的有碴軌道簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度的限值.分析結(jié)果表明：梁軌快速相對位移及鋼軌附加應(yīng)力控制大跨高墩長聯(lián)橋上無縫線路的整體設(shè)計， 該跨度為64 m的有碴軌道簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度的限值應(yīng)超過750 kN/cm.

關(guān)鍵詞： 大跨簡支梁橋；無縫線路；線剛度優(yōu)化；ANSYS二次開發(fā)

中圖分類號： U442.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： APier Linear Stiffness Optimization of LargeSpan

大跨高墩長聯(lián)簡支梁橋是鐵路無縫線路建設(shè)中常用的型式，特別是山區(qū)鐵路.但跨度超過48 m的簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度優(yōu)化設(shè)計的研究很少，相關(guān)規(guī)范中沒有規(guī)定[1]，且大跨高墩簡支梁橋墩臺也沒有標(biāo)準(zhǔn)圖可依.

設(shè)計人員設(shè)計橋墩時，需不斷調(diào)整墩身尺寸反復(fù)試算，以滿足橋上無縫線路要求，不僅設(shè)計工作量大，而且人工調(diào)整的橋墩線剛度取值不合理，橋墩之間線剛度不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致橋墩設(shè)計尺寸偏于保守，橋梁投資不經(jīng)濟(jì).

本文通過建立參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析模型和優(yōu)化模型，采用ANSYS提供的零階優(yōu)化方法[23]對跨度64 m的高墩長聯(lián)簡支梁橋上無縫線路橋墩線剛度[45]進(jìn)行了優(yōu)化，為跨度64 m的簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度限值提供了參考.1結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型的建立1.1力學(xué)模型橋上無縫線路[6]是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，軌道、主梁、橋墩、基礎(chǔ)以及橋梁兩側(cè)路基之間相互影響[711]，借鑒橋上無縫線路現(xiàn)有力學(xué)模型[1214]，按照鋼軌、主梁、橋墩尺寸建立了圖1所示的力學(xué)模型.

西南交通大學(xué)學(xué)報第48卷第2期喬建東等：無縫線路大跨簡支梁橋橋墩線剛度優(yōu)化鋼軌與主梁上翼緣之間采用線彈簧模擬道碴層，彈簧剛度系數(shù)為常數(shù)；主梁、橋墩及基礎(chǔ)剛度按實際截面選取.為了準(zhǔn)確反映鋼軌與主梁的協(xié)調(diào)變形，用剛臂將主梁上翼緣與主梁中性軸、主梁中性軸與支座連接，通過釋放約束模擬固定支座和活動支座；采用ANSYS參數(shù)化建模，以優(yōu)化墩頂縱向水平線剛度.

該模型有以下特點：

（1） 采用道床連接彈簧能夠模擬道床的豎向阻力和縱向阻力；

（2） 將主梁上、下翼緣與主梁中性軸作剛臂處理，且將實際橋墩及基礎(chǔ)納入力學(xué)模型，能夠充分模擬鋼軌、主梁、橋墩和基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)作用機(jī)制；

（3） 采用參數(shù)化建模，有利于優(yōu)化設(shè)計.1.2橋上無縫線路工程實例以一座擬建客貨共線無縫線路單線有碴簡支梁橋（圖2）為研究對象，橋跨布置為9×64 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，梁高5 m，墩（從左至右依次為1#～8#墩）高分別為29、41、44、44、47、47、51和43 m；道碴層厚0.65 m，橋上無縫線路結(jié)構(gòu)型式與路基一致，線路道床阻力為常數(shù).

主要設(shè)計參數(shù)：

（1） 設(shè)計荷載：中活載；

（2） 制動力參數(shù)：取豎向靜活載的10%；

（3） 橋臺線剛度：1 500 kN/cm[1]；

（4） 線路縱向阻力：計算伸縮力時，縱向阻力取70 N/cm.計算撓曲力時，若軌面無荷載，縱向阻力取70 N/cm；若軌面有荷載，機(jī)車下縱向阻力取110 N/cm，車輛下縱向阻力取70 N/cm[1]；

（5） 有碴軌道混凝土梁溫度差：15 ℃[1]；

（6） 設(shè)計采用60型鋼軌.

根據(jù)確定的上述主要設(shè)計參數(shù)，建立該橋梁的有限元模型.模型中，主梁、橋墩采用Beam188梁單元模擬；鋼軌采用Beam4梁單元模擬；鋼軌與主梁之間的道碴層以及基礎(chǔ)采用Combin14彈簧單元模擬；固定支座和活動支座通過釋放梁端約束實現(xiàn).

驗算項目優(yōu)化前優(yōu)化后變化率/%規(guī)范限值鋼軌最大附加拉應(yīng)力/MPa工況123.325.28.5181工況227.537.235.2781鋼軌最大附加壓應(yīng)力/MPa工況153.757.67.2661工況230.133.912.6261墩身混凝土最大壓應(yīng)力/MPa1.974.20113.2016.1墩身混凝土最大拉應(yīng)力/MPa0.650.707.691.52梁軌快速相對位移/mm2.53.436.004墩頂縱向位移/mm11.013.018.1840墩身混凝土總體積/m314 98912 08919.35—

結(jié)果都留有一定的安全儲備.因此，本文的優(yōu)化程序具有較強(qiáng)的通用性.4結(jié)語橋墩縱向水平線剛度是橋上無縫線路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，橋上無縫線路縱向附加力、梁軌快速相對位移在很大程度上取決于橋墩縱向水平線剛度.為保證軌道結(jié)構(gòu)的安全適用性，應(yīng)對橋梁墩頂縱向水平線剛度進(jìn)行限定.

通過APDL參數(shù)化語言對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，建立參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析模型和優(yōu)化模型，利用ANSYS提供的零階優(yōu)化方法對跨度64 m的高墩長聯(lián)簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度進(jìn)行了優(yōu)化研究.

優(yōu)化后橋墩混凝土總用量節(jié)約了19.35%，優(yōu)化效果顯著.通過實例計算與分析，建議跨度64 m的高墩長聯(lián)簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度限值控制在750 kN/cm以上.此外，采用優(yōu)化技術(shù)，使大跨長聯(lián)簡支梁橋各橋墩的設(shè)計自動化，縱向剛度相互協(xié)調(diào)，提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量.

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（中、英文編輯：付國彬）