預(yù)彎鋼-混組合跨座式單軌軌道梁力學(xué)性能分析及截面優(yōu)化*

劉媛媛 申彥利,2,3 杜 鵬,2,3

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,056038,邯鄲; 2.河北省裝配式結(jié)構(gòu)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,056038,邯鄲;3.河北工程大學(xué)新型單軌交通體系工程研究中心,056038,邯鄲)

在跨座式單軌交通系統(tǒng)中,軌道梁具有承重和車輛導(dǎo)向的作用,其對(duì)跨座式單軌交通能否正常運(yùn)行具有重要的作用。對(duì)于跨度約為20 m的跨座式單軌軌道梁,目前一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁,軌道梁截面尺寸為850 mm(寬)×1 500 mm(高)。對(duì)于大跨度軌道梁,一般采用簡支梁或連續(xù)鋼箱梁。當(dāng)鋼材裸露在大氣環(huán)境下時(shí),易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。由于鋼軌道梁運(yùn)營期間的維護(hù)成本高、維修不易、調(diào)試?yán)щy等特點(diǎn),研究人員結(jié)合鋼材與混凝土的優(yōu)點(diǎn),提出了一種鋼筋-混凝土(以下簡稱“鋼-混”)組合軌道梁。文獻(xiàn)[1]提出一種新型預(yù)應(yīng)力鋼-混組合軌道梁截面形式,軌道梁截面尺寸為850 mm(寬)×1 500 mm(高),對(duì)軌道梁正常使用時(shí)的極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)進(jìn)行了理論驗(yàn)算,同時(shí)基于ANSYS軟件進(jìn)行建模計(jì)算,確定了新型預(yù)應(yīng)力鋼-混組合軌道梁截面布置的合理性。

目前,傳統(tǒng)的跨座式單軌軌道梁頂面截面寬度一般為850 mm,相關(guān)企業(yè)針對(duì)我國三四線城市的城市軌道交通建設(shè)要求,提出一種寬度為1 250 mm的跨座式單軌列車截面形式。對(duì)于這種截面形式的列車,傳統(tǒng)的軌道梁截面形式已不再適用?；诖?為解決新型跨座式單軌列車的特殊需求,本文基于傳統(tǒng)截面形式,提出一種寬度為1 250 mm的預(yù)彎鋼-混組合跨座式單軌軌道梁初步截面形式,采用數(shù)值模擬方法對(duì)其受力情況進(jìn)行分析,并通過改變軌道梁的頂板厚度、腹板厚度及底板厚度,以用鋼量最省為目標(biāo)對(duì)軌道梁初步截面形式進(jìn)行優(yōu)化。本文研究可為相關(guān)企業(yè)提出的寬度為1 250 mm的跨座式單軌列車截面形式提供參考依據(jù)。

1 預(yù)彎鋼-混組合軌道梁構(gòu)造設(shè)計(jì)

1.1 截面設(shè)計(jì)思路

預(yù)彎鋼-混組合軌道梁是一種受彎構(gòu)件,其主要內(nèi)力為彎矩和剪力,主要宏觀變形為撓度。預(yù)彎鋼-混組合軌道梁的彎矩主要由上部混凝土和內(nèi)部鋼箱梁承擔(dān),剪力主要由鋼箱梁腹板承擔(dān),其截面構(gòu)造示意圖如圖1所示?；炷林饕O(shè)置于受壓區(qū),以充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能,走行部分使用混凝土結(jié)構(gòu)能夠較好地降低列車運(yùn)行時(shí)的噪聲,延緩鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂,延長使用壽命。預(yù)彎鋼-混組合軌道梁內(nèi)部采用鋼箱梁,其不但自重輕,還能增強(qiáng)軌道梁的跨越能力。預(yù)彎鋼-混組合軌道梁內(nèi)部的鋼箱梁兩側(cè)用混凝土包裹鋼板,以防止鋼板裸露在大氣中受到腐蝕。預(yù)彎鋼-混組合軌道梁底部設(shè)置有鋼板,以方便施工和后期維護(hù)。

圖1 預(yù)彎鋼-混組合軌道梁截面構(gòu)造示意圖

1.2 初步截面形式設(shè)計(jì)方案

預(yù)彎鋼-混組合軌道梁的計(jì)算跨度為24.2 m,由內(nèi)部鋼箱梁及其兩側(cè)與頂面外包混凝土組成,軌道梁梁高為1.50 m,梁寬為1.25 m。在鋼箱梁的3個(gè)四等分點(diǎn)處,用臨時(shí)支點(diǎn)向鋼箱梁加反力使鋼箱梁上拱?？紤]鋼箱梁腹板高厚比的限值要求,初步確定截面方案為,內(nèi)部鋼箱梁采用高度為1 200 mm的箱型截面,鋼結(jié)構(gòu)頂板厚度t1、腹板厚度tw、底板厚度t2分別設(shè)定為20 mm、24 mm、36 mm[1-2]。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知,此截面符合鋼箱梁的穩(wěn)定性要求,混凝土與鋼箱梁接觸面設(shè)置剪力連接件。

2 預(yù)彎鋼-混組合軌道梁數(shù)值模型

2.1 模型參數(shù)與單元選取

外包混凝土采用C60混凝土,縱筋為HRB400級(jí)鋼筋,箍筋為HRB300級(jí)鋼筋,內(nèi)部鋼箱梁選用Q345鋼材,混凝土結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù):彈性模量為3.75×104MPa;泊松比為0.2;軸心抗拉強(qiáng)度為2.04 MPa;軸心抗壓強(qiáng)度為27.5 MPa。鋼筋結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù):彈性模量為2.0×105MPa;屈服強(qiáng)度為400 MPa;極限強(qiáng)度為540 MPa。鋼筋根數(shù)為72根,鋼筋直徑為16 mm。

軌道梁的混凝土結(jié)構(gòu)部分采用C3D8R單元模擬,本構(gòu)模型采用塑性損傷模型;軌道梁的鋼板部分采用S4R單元模擬,本構(gòu)模型采用三折線線性強(qiáng)化彈塑性模型;軌道梁的鋼筋部分采用T3D2單元模擬,本構(gòu)模型采用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型。

2.2 相互作用及邊界條件

在縱筋、箍筋裝配完后,采用ABAQUS軟件中的Merge命令組成一個(gè)鋼筋網(wǎng)架部件,用Embedded命令使鋼筋網(wǎng)架嵌入混凝土中,以保證這兩者協(xié)同工作,且不考慮這兩者之間的相對(duì)滑移。在鋼箱梁的頂板、腹板、底板上設(shè)置抗剪栓釘[3],用Tie命令在混凝土表面與鋼箱表面模擬抗剪栓釘?shù)目辜糇饔?。簡支梁的邊界條件為梁一端施加x、y、z向約束,另一端施加x、y向約束。通過結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分,以邊長為150 mm的實(shí)體單元作為軌道梁混凝土部分的網(wǎng)格劃分精度,以邊長為150 mm的殼單元作為軌道梁鋼材部分的網(wǎng)格劃分精度,以每100 mm一段的桁架單元作為鋼筋構(gòu)件的網(wǎng)格劃分精度。

2.3 荷載工況

計(jì)算模型考慮以下幾種荷載:①結(jié)構(gòu)自重;②二期荷載(包括救援疏散通道自重及通信、信號(hào)、電力、接觸軌等四電設(shè)備);③列車活載;④橫向搖擺力;⑤風(fēng)荷載;⑥溫度荷載。計(jì)算模型的每節(jié)車有兩對(duì)車軸,每個(gè)車軸最大軸重為113 kN。列車各靜活載軸重布置示意圖如圖2所示。

尺寸單位:mm

根據(jù)跨座式單軌軌道梁的受力情況,對(duì)荷載可能出現(xiàn)的最不利組合情況[4]進(jìn)行了計(jì)算。考慮荷載組合提高系數(shù)的影響,跨座式單軌軌道梁的主要荷載產(chǎn)生的各結(jié)構(gòu)部分應(yīng)力不得超過TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定限值。在不同荷載組合情況下,預(yù)彎鋼-混組合軌道梁的容許應(yīng)力提高系數(shù)如表1所示。

表1 不同荷載組合情況下的預(yù)彎鋼-混組合軌道梁容許應(yīng)力提高系數(shù)

2.4 初步方案截面力學(xué)性能分析

2.4.1 剛度分析

在列車豎向靜活載作用下,預(yù)彎鋼-混組合軌道梁梁體產(chǎn)生的豎向最大撓度值為4.76 mm,小于GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》的允許撓度30.25 mm,表明預(yù)彎鋼-混組合軌道梁的豎向撓度滿足要求。在橫向搖擺力和溫度荷載的作用下,預(yù)彎鋼-混組合軌道梁梁體產(chǎn)生的橫向最大撓度值為1.26 mm,小于GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》的允許撓度6.05 mm,表明預(yù)彎鋼-混組合軌道梁的橫向撓度滿足要求。

2.4.2 強(qiáng)度分析

不同荷載組合下,預(yù)彎鋼-混組合軌道梁荷載計(jì)算結(jié)果如表2所示。鋼箱梁上緣最大正應(yīng)力、鋼箱梁下緣最大正應(yīng)力和鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力在工況8時(shí)有最大值,分別為85.60 MPa、237.10 MPa和57.55 MPa;混凝土頂面最大壓應(yīng)力在工況9時(shí)有最大值,為14.62 MPa。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知,在9種荷載組合工況下,預(yù)彎鋼-混組合軌道梁的強(qiáng)度均滿足相關(guān)要求。然而,初步設(shè)計(jì)方案中,各構(gòu)件的受力遠(yuǎn)小于規(guī)范值,預(yù)彎鋼-混組合軌道梁的鋼材性能未獲得充分利用,增加了施工成本,因此需繼續(xù)對(duì)所設(shè)計(jì)的預(yù)彎鋼-混組合軌道梁進(jìn)行優(yōu)化。

表2 不同荷載組合情況下的預(yù)彎鋼-混組合軌道梁荷載計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果,選取工況8作為軌道梁鋼箱梁上翼緣最大正應(yīng)力、鋼箱梁下翼緣最大正應(yīng)力、鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力的最不利荷載工況,選取工況9作為混凝土頂面最大壓應(yīng)力的最不利工況,進(jìn)一步對(duì)軌道梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行力學(xué)分析。

3 截面優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化目標(biāo)及方案

在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下,以用鋼量最省為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)預(yù)彎鋼-混組合軌道梁初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行截面優(yōu)化,本文設(shè)計(jì)了G1—G3共3個(gè)組合的鋼-混組合軌道梁方案,G1、G2、G3方案分別以鋼箱梁頂板厚度、腹板厚度、底板厚度作為變量,各截面參數(shù)組合如表3所示,其他參數(shù)均與初步方案模型參數(shù)保持一致。

表3 鋼-混組合軌道梁截面參數(shù)組合

3.2 優(yōu)化截面參數(shù)分析

在最不利組合工況8和工況9下,由數(shù)值模擬結(jié)果可知,鋼箱梁的頂板厚度、腹板厚度、底板厚度變化對(duì)混凝土頂面最大正應(yīng)力、軌道梁豎向撓度、軌道梁橫向撓度影響較小,上下波動(dòng)幅值均在1%左右,可忽略不計(jì)。鋼箱梁的頂板厚度、腹板厚度、底板厚度對(duì)鋼箱梁上翼緣最大正應(yīng)力、鋼箱梁下翼緣最大正應(yīng)力、鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力的影響如圖3所示。

a) 鋼箱梁上翼緣最大正應(yīng)力

由圖3可知:①頂板厚度是影響鋼箱梁上翼緣最大正應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù),隨著鋼箱梁頂板厚度增加、鋼箱梁上翼緣最大正應(yīng)力呈減小的趨勢,減小幅值約為2.3%～7.8%;②底板厚度是影響鋼箱梁下翼緣最大正應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù),隨著鋼箱梁底板厚度的增加,鋼箱梁下翼緣最大正應(yīng)力值呈減小的趨勢,減小幅值約為11.0%～32.0%;③腹板厚度是影響鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù),隨著腹板厚度的增加,鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力值呈減小的趨勢,減小幅值約為2.2%～6.6%。

根據(jù)預(yù)彎鋼-混組合軌道梁強(qiáng)度變化規(guī)律,以鋼材利用率高為目標(biāo),基于GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,確定最終的截面方案:頂板厚度為16 mm,腹板厚度為20 mm,底板厚度為16 mm。

在最不利組合工況8和工況9下,將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案與初步設(shè)計(jì)方案的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,如表4所示。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,同時(shí)結(jié)合表4可知,優(yōu)化方案中軌道梁的剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求,且鋼材能夠獲得更大的利用率,與初步設(shè)計(jì)方案相比,鋼材表面積減少了約29.89%。

表4 初步設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語

針對(duì)新型跨座式單軌列車的特殊需求,設(shè)計(jì)了寬度為1 250 mm的跨座式單軌預(yù)彎鋼-混組合軌道梁截面形式,基于傳統(tǒng)軌道梁截面形式,在初步確定預(yù)彎鋼-混組合軌道梁截面方案后,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其受力進(jìn)行分析,強(qiáng)度、剛度均滿足規(guī)范要求,并以用鋼量最省為目標(biāo),對(duì)初步截面形式進(jìn)行優(yōu)化,確定了優(yōu)化后的預(yù)彎鋼-混組合軌道梁截面形式。主要獲得以下結(jié)論:

1) 頂板厚度是影響鋼箱梁上翼緣最大正應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù),隨著鋼箱梁頂板厚度增加、鋼箱梁上翼緣最大正應(yīng)力呈減小的趨勢;底板厚度是影響鋼箱梁下翼緣最大正應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù),隨著鋼箱梁底板厚度的增加,鋼箱梁下翼緣最大正應(yīng)力值呈減小的趨勢;腹板厚度是影響鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù),隨著腹板厚度的增加,鋼箱梁腹板最大剪應(yīng)力值呈減小的趨勢。

2) 所提預(yù)彎鋼-混組合軌道梁兩種截面形式在最不利荷載組合工況下的強(qiáng)度與剛度均滿足規(guī)范容許限值;所提優(yōu)化截面參數(shù)方案的頂板厚度、腹板厚度、底板厚度分別為16 mm、20 mm、16 mm;相較于初步截面方案,優(yōu)化后的方案可以節(jié)省鋼材表面積約29.89%。