跨既有鐵路橋梁施工的固定式防護結構抗碰撞性能分析

陳 強，上官濤

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

某鐵路簡支梁橋上跨既有電氣化鐵路線，屬于線路交叉施工工程。該鐵路線交通運輸繁忙，現場不具備滿堂支架施工條件，采用架橋機架設施工。為確保工程施工不影響既有電氣化鐵路的運營，也為了保證施工安全，防止觸電，需在既有線上方搭設防護結構，由鐵路運輸的重要性和不中斷性對防護裝置提出了更高的要求。目前常用的防護裝置有兩種:移動式防護結構和固定式防護結構，對于采用架橋機架設的跨線鐵路橋，由于存在較大的防護面積，常采用固定式防護結構。

1 固定式防護結構設計

1.1 固定式防護結構要求

防護結構主要作用是防止墜落物對既有線設備造成損壞，同時防止施工人員接觸鐵路電網，發生觸電事故，因此，防護范圍須涵蓋所有施工作業面內可能發生墜落物的所有面積。

防護結構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)。靜力性能計算以結構的強度、剛度和穩定性作為控制要點，同時需要考慮結構的動力力學行為。

防護結構在滿足其功能要求的前提下，需要進行詳細的力學計算，確保防護結構的強度安全及穩定性指標，滿足相關規范要求。

1.2 技術難點

既有鐵路線橫向尺寸較大，路基間空間小，無法在路基間埋設管樁，使防電棚設計面臨大跨度的技術難題;下行電氣化線路屬于交通樞紐線路，為防止墜落物對既有鐵路線路造成危險，必須確保防電棚結構具有足夠的安全性能，尤其是抗碰撞能力。設計時需對防電棚結構進行詳細的碰撞力學分析，以確保結構的安全。

在抗沖擊性能計算方面，常規的方法是考慮墜落物的沖擊系數，以自重乘以沖擊系數的方法來近似模擬碰撞發生時的沖擊效應。由于墜落物的墜落高度及碰撞發生位置等不確定因素的影響，使得單純按照沖擊系數的方式來考慮沖擊效應存在很大的誤差，實際工程中可能隱伏較大的安全風險。因此，應根據現場的具體情況來確定可能發生的最大墜落高度，同時根據結構的影響線分析來確定計算時考慮的最不利墜落位置，對結構進行精確的動力計算非常必要。

1.3 固定式防護結構設計方案

通過對現場的實地勘察，提出了防電棚的設計方案如下:

1)防電棚結構為3跨，跨度組成為12.0 m+21.0 m+9.0 m。

2)整體結構由下而上為:樁基礎、鋼管立柱、工字鋼墊梁、貝雷梁、分配工字鋼和防電棚;結構詳細設計為:采用鋼管立柱支撐，鋼管立柱之間用I14b工字鋼進行連接，在立柱頂部放置雙拼I40b工字鋼，作為其上方標準貝雷梁的支撐結構，同時在貝雷梁上放置I20b工字鋼支承上面的防電棚鋼板。防電棚結構的縱斷面圖和橫斷面圖見圖1和圖2。

圖1 防電棚結構縱斷面

圖2 防電棚結構橫斷面(單位:mm)

2 防護結構抗沖擊性能計算結果及分析

2.1 抗沖擊性能分析模型

有限元模型:防護結構的抗沖擊性能分析采用通用有限元計算軟件ABAQUS，模型中主要采用了板單元(模擬防電棚鋼板構件)和梁單元(模擬鋼管立柱、工字鋼、貝雷梁等其他構件)，整體計算模型見圖3。

2.2 荷載及計算工況說明

圖3 ABAQUS整體有限元模型

1)計算荷載。本計算中考慮結構自重和重物沖擊荷載。自重荷載由結構的質量乘以重力加速度，由程序自動計入;重物沖擊荷載根據現場的實際調查，重物落至防電棚的垂直距離不超過2 m，施工中可能的墜落物主要是一些鋼板、鋼筋及小型施工機具等物件。經現場調查和各方討論后最終確定了墜落物的計算質量為1.0 t。在模型計算時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。橋梁計算以荷載作用下的最大值作為其設計控制值，實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生。為確定最不利發生位置，需對結構進行影響線分析，找出影響線加載的最大點，從而得到結構設計的控制效應值。

本方案設計中，貝雷梁作為主要的跨越構件，為主要受力構件。計算時，重物墜落的縱向位置主要是根據單排貝雷架模型在移動荷載下的影響線中最大效應的位置來選擇的，單排貝雷架的模型見圖4，通過影響線最不利效應分析，最終確定了重物墜落在臨時支架沿縱向約18.8 m處。

由于整個結構是空間結構，計算時需充分考慮其空間效應，因此又進一步確定了重物墜落由于橫向位置變化而產生的不同效應，即考慮墜落時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 整體結構荷載正載情況

圖6 整體結構荷載偏載情況

3)計算工況。墜落物下落過程在未接觸防電棚時，結構并未產生沖擊效應;至墜落物與結構接觸后方開始產生沖擊效應。即本分析計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，未對防電棚產生沖擊力，整體結構只受到自重的作用;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程是一個動態的過程，且接觸過程持續時間很短，本次沖擊計算時間取0.05 s。在這個過程中整體結構不僅有自重作用，同時還要承受重物的動態沖擊荷載。

2.3 計算結果及分析

1)結構僅承受自重作用。整體結構僅在自重作用下的變形和應力如圖7和圖8所示，此時最大變形為5.3 mm，最大應力為41.9 MPa，最大應力發生在支撐處的貝雷梁上。

2)結構承受正載作用。結構承受沖擊荷載時其力學行為是一個動態的過程，該過程中整體結構最大應力變化歷程如圖9所示，在0.025 s時結構應力最大而后漸趨平穩。該時刻結構最大應力如圖10所示，最大應力值為72.8 MPa，發生在左側鋼管支撐處的貝雷梁上(重物沖擊對應的貝雷梁)。

3)結構承受偏載作用。偏載作用下整體結構最大應力變化歷程如圖11所示，在0.025 s時結構應力最大而后漸趨平穩。該時刻結構最大應力如圖12所示，最大應力值為72.4 MPa，發生在左側鋼管支撐處的貝雷梁上(重物沖擊對應的貝雷梁)。

圖7 結構變形情況(最大5.3 mm)

圖8 結構應力情況(最大值41.9 MPa)

圖9 結構最大應力歷時曲線(沖擊)

圖10 0.025 s時結構應力(最大值72.8 MPa)

圖11 結構最大應力歷時曲線(偏載)

圖12 0.025 s時結構應力(最大值72.4 MPa)

綜合分析防電棚結構的自重荷載及重物沖擊荷載作用下的變形及應力計算結果，該防護結構的強度、剛度及穩定狀態均滿足上部橋梁的施工要求，設計方案可靠。

3 結論

整體結構在自重作用下最大變形為5.3 mm，最大應力為41.9 MPa;在正載及偏載作用下，沖擊計算時間為0.025 s時結構應力達到最大，隨后漸趨平穩，最大應力值分別為72.8 MPa和72.4 MPa，位置均在重物沖擊對應的貝雷梁處。綜合分析抗沖擊性能計算結果可知，該防護結構強度安全及剛度均滿足上跨橋梁的施工要求。

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