鐵路線路上跨天橋防護屏風(fēng)荷載有限元分析

（中國鐵路北京局集團有限公司，天津 300143）

1 概述

1.1 研究背景及意義

我國高鐵事業(yè)飛速發(fā)展，鐵路運輸成為維系國民經(jīng)濟運行、促進區(qū)域間經(jīng)濟文化交流的重要保障和有效途徑。為適應(yīng)鐵路運輸需求的變化，鐵路既有線路開始逐步對設(shè)備進行升級改造，部分二等、三等站在建設(shè)時，未設(shè)置旅客進出站地下通道，旅客進出站需要橫越線路。隨著鐵路逐步提速運行，安全隱患愈發(fā)突出，在近幾年的改造中多通過架設(shè)人行天橋的方式解決相關(guān)問題。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在人行天橋兩側(cè)設(shè)置防護屏，防護屏作為建筑附屬物，在設(shè)計和施工過程中易被忽略。防護屏在風(fēng)力的作用下使部分構(gòu)件發(fā)生變形，自攻螺釘逐漸松動脫落。由于人行天橋處于鐵路線路的上方，掉落的零件會擊打列車，造成設(shè)備損壞，影響鐵路運輸安全。

本文運用有限元法，對鐵路線路上跨天橋防護屏等附屬物進行極限風(fēng)力作用下的受力分析，探究應(yīng)力較大部位螺栓的受力狀態(tài)，以明確防護屏在后期維護管理的重點部位，避免因防護屏病害導(dǎo)致的鐵路安全事故。

1.2 研究對象

1.2.1 項目簡介

研究對象為天津市某縣某站上跨鐵路人行天橋，位于天津市某縣某火車站內(nèi)，海拔17 m。跨越既有鐵路Ⅰ、Ⅱ道。

天橋與鐵路線路正交，本橋平面分別位于直線上，鐵路線上方設(shè)置防護屏。

橋面橫坡為雙向1.5%，橋?qū)? m，縱坡1.921%。

按照《鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范》（TB 10063—2016）的要求，在鐵路上部的鋼板梁翼緣外側(cè)設(shè)置防護屏。防護屏高度≥2.5 m，進行接地處理，防護屏長度為19 600 mm，高度為2 500 mm。

防護屏主體結(jié)構(gòu)豎立柱采用80方鋼（L=2 530 mm），共36根；橫立柱采用140根60方鋼（L=1 420 mm）、10根60方鋼（L=920 mm）組成。

填充板材采用實心陽光板共122 m2。

配件為自攻螺栓（帶螺母）（M6×25）、專用鋁合金壓條（80 mm×40 mm×19 600 mm）、橡膠減震塊（80 mm×6 mm×80 mm）。

1.2.2 現(xiàn)狀

天橋竣工后，受當(dāng)?shù)仡l繁的大風(fēng)天氣影響，天橋防護屏的部分鋁合金壓條出現(xiàn)了端部翹起變形，部分自攻螺栓出現(xiàn)不同程度的松動，少數(shù)螺栓脫落。后期維護中采用鉆孔安放螺栓進行緊固，但螺栓松動脫落現(xiàn)象仍舊出現(xiàn)，該方法并不理想。研究風(fēng)荷載作用下防護屏各部位變形規(guī)律較為必要，有助于指導(dǎo)后期維護保養(yǎng)工作，為工作人員提供參考依據(jù)。

2 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》（GB 50009—2012）的相關(guān)要求，確定垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，計算圍護結(jié)構(gòu)：

式中：wo——基本風(fēng)壓，取0.5；βgz——高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，取1.7；μsl——風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，取1.3；μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.0。

3 建立有限元模型

3.1 模型建立過程

通過現(xiàn)場的實際測量和既有設(shè)計施工資料，建立合理的有限元分析模型，保證研究其風(fēng)荷載作用下性能結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型的有效建立需要在軟件中建立完善的基礎(chǔ)模型，建立恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，選擇合理的加載方式。本文建立了防護屏的全尺寸模型，并進行第一次風(fēng)荷載分析，選取第一次分析結(jié)果中較大的若干片單元進行模擬，以明確重點部位和重點部位的受力、變形狀態(tài)。

3.2 材料參數(shù)選取

參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，各級別的鋼材具有的彈性模量相差較小，在本次模擬中統(tǒng)一規(guī)定為206 GPa，鋼材泊松比0.3，屈服后的切線模量為E/50。

鋼材的屈服強度為期極限強度的0.5～0.7倍，本文取0.5；鋁合金彈性模量69 GPa，鋁合金泊松比0.33。

在本次模擬中，采用圓柱體簡化模型對六角法蘭面自攻螺栓進行分析，參考《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》（GB/T 3098.1—2010）和《六角法蘭面螺栓小系列》（GB/T 16674.1—2004）的規(guī)定，自攻螺栓采用合金鋼材質(zhì)，彈性模量及泊松比分別為206 GPa、0.3。

3.3 整體建模

3.3.1 接觸及邊界條件

ANSYS 19.0軟件中可模擬接觸的類型有綁定接觸、不分離接觸、無摩擦接觸、粗糙接觸、有摩擦接觸。

接觸類型的選擇較為重要，在非線性有限元分析中，接觸是一種狀態(tài)非線性行為，會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響。在防護屏系統(tǒng)中涉及的主要接觸是螺栓與鋁合金板的接觸、鋁合金板與陽光板與鋼型材的接觸。

由相關(guān)文獻的分析結(jié)果可知，本次分析中，將螺栓與鋁合金板的接觸類型設(shè)定為綁定接觸，鋁合金板與陽光板設(shè)定為摩擦接觸，可取得較快的分析速度，且不會有過大的誤差。

3.3.2 加載方式

防護屏本身的受力主要是風(fēng)荷載，根據(jù)相關(guān)文獻中不同的模擬情況對比結(jié)果，可采用施加均布荷載，模擬其受到的風(fēng)荷載作用。

4 有限元結(jié)果分析

4.1 整體應(yīng)力分析

總等效應(yīng)力如圖1所示。

圖1 總等效應(yīng)力云圖

由圖1可知，在風(fēng)荷載作用下，模型最大等效應(yīng)力值約為0.6 MPa，模型主體應(yīng)力約為0.2 MPa，應(yīng)力主要集中在陽光板和鋁合金壓條端部位置。

4.2 單元應(yīng)力分析

為較好地觀察結(jié)構(gòu)受力情況，為后期的檢修工作提供參考，在模擬過程中選取兩片防護屏基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一個單元，進而提取計算結(jié)果。

單位應(yīng)力如圖2所示。

圖2 單元應(yīng)力圖

由圖2可知，在風(fēng)荷載作用下，鋁合金壓條的最大等效應(yīng)力值約為0.2 MPa，應(yīng)力較大位置集中在防護屏橫向鋁合金壓條的中部及端部，與實際情況中的破壞松動發(fā)生位置基本相符。

端部自攻螺栓周圍的鋁合金壓條受力不均勻，導(dǎo)致引發(fā)的變形不均勻，在風(fēng)荷載的往復(fù)作用下加劇自攻螺栓的風(fēng)致疲勞。

鋁合金壓條端應(yīng)力如圖3所示。

圖3 鋁合金壓條端部應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

通過對防護屏鋼架、陽光板、鋁合金壓條、自攻螺栓進行有限元模擬分析，得到風(fēng)荷載作用下的極限應(yīng)力數(shù)值及分布情況，并將其與實際作用情況進行對比。風(fēng)荷載作用導(dǎo)致的風(fēng)致疲勞是出現(xiàn)螺栓松動、鋁合金壓條不規(guī)則變形的主要原因。可根據(jù)受力云圖和病害統(tǒng)計資料，安排對鋁合金壓條端部自攻螺栓的檢查，建議增大自攻螺栓扭矩，避免此類病害現(xiàn)象發(fā)生的，確保設(shè)備安全。