預彎鋼-混組合跨座式單軌軌道梁力學性能分析及截面優化*

劉媛媛 申彥利,2,3 杜 鵬,2,3

(1.河北工程大學土木工程學院,056038,邯鄲; 2.河北省裝配式結構工程技術創新中心,056038,邯鄲;3.河北工程大學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中,軌道梁具有承重和車輛導向的作用,其對跨座式單軌交通能否正常運行具有重要的作用。對于跨度約為20 m的跨座式單軌軌道梁,目前一般采用預應力混凝土軌道梁,軌道梁截面尺寸為850 mm(寬)×1 500 mm(高)。對于大跨度軌道梁,一般采用簡支梁或連續鋼箱梁。當鋼材裸露在大氣環境下時,易產生腐蝕現象。由于鋼軌道梁運營期間的維護成本高、維修不易、調試困難等特點,研究人員結合鋼材與混凝土的優點,提出了一種鋼筋-混凝土(以下簡稱“鋼-混”)組合軌道梁。文獻[1]提出一種新型預應力鋼-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),對軌道梁正常使用時的極限狀態和承載力極限狀態進行了理論驗算,同時基于ANSYS軟件進行建模計算,確定了新型預應力鋼-混組合軌道梁截面布置的合理性。

目前,傳統的跨座式單軌軌道梁頂面截面寬度一般為850 mm,相關企業針對我國三四線城市的城市軌道交通建設要求,提出一種寬度為1 250 mm的跨座式單軌列車截面形式。對于這種截面形式的列車,傳統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,本文基于傳統截面形式,提出一種寬度為1 250 mm的預彎鋼-混組合跨座式單軌軌道梁初步截面形式,采用數值模擬方法對其受力情況進行分析,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對軌道梁初步截面形式進行優化。本文研究可為相關企業提出的寬度為1 250 mm的跨座式單軌列車截面形式提供參考依據。

1 預彎鋼-混組合軌道梁構造設計

1.1 截面設計思路

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

圖1 預彎鋼-混組合軌道梁截面構造示意圖

1.2 初步截面形式設計方案

預彎鋼-混組合軌道梁的計算跨度為24.2 m,由內部鋼箱梁及其兩側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個四等分點處,用臨時支點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,內部鋼箱梁采用高度為1 200 mm的箱型截面,鋼結構頂板厚度t1、腹板厚度tw、底板厚度t2分別設定為20 mm、24 mm、36 mm[1-2]。根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》可知,此截面符合鋼箱梁的穩定性要求,混凝土與鋼箱梁接觸面設置剪力連接件。

2 預彎鋼-混組合軌道梁數值模型

2.1 模型參數與單元選取

外包混凝土采用C60混凝土,縱筋為HRB400級鋼筋,箍筋為HRB300級鋼筋,內部鋼箱梁選用Q345鋼材,混凝土結構的主要設計力學參數:彈性模量為3.75×104MPa;泊松比為0.2;軸心抗拉強度為2.04 MPa;軸心抗壓強度為27.5 MPa。鋼筋結構的主要設計力學參數:彈性模量為2.0×105MPa;屈服強度為400 MPa;極限強度為540 MPa。鋼筋根數為72根,鋼筋直徑為16 mm。

軌道梁的混凝土結構部分采用C3D8R單元模擬,本構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,本構模型采用三折線線性強化彈塑性模型;軌道梁的鋼筋部分采用T3D2單元模擬,本構模型采用雙折線隨動強化模型。

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命令組成一個鋼筋網架部件,用Embedded命令使鋼筋網架嵌入混凝土中,以保證這兩者協同工作,且不考慮這兩者之間的相對滑移。在鋼箱梁的頂板、腹板、底板上設置抗剪栓釘[3],用Tie命令在混凝土表面與鋼箱表面模擬抗剪栓釘的抗剪作用。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。通過結構化網格對模型進行劃分,以邊長為150 mm的實體單元作為軌道梁混凝土部分的網格劃分精度,以邊長為150 mm的殼單元作為軌道梁鋼材部分的網格劃分精度,以每100 mm一段的桁架單元作為鋼筋構件的網格劃分精度。

2.3 荷載工況

計算模型考慮以下幾種荷載:①結構自重;②二期荷載(包括救援疏散通道自重及通信、信號、電力、接觸軌等四電設備);③列車活載;④橫向搖擺力;⑤風荷載;⑥溫度荷載。計算模型的每節車有兩對車軸,每個車軸最大軸重為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

根據跨座式單軌軌道梁的受力情況,對荷載可能出現的最不利組合情況[4]進行了計算?？紤]荷載組合提高系數的影響,跨座式單軌軌道梁的主要荷載產生的各結構部分應力不得超過TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》和TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》所規定限值。在不同荷載組合情況下,預彎鋼-混組合軌道梁的容許應力提高系數如表1所示。

表1 不同荷載組合情況下的預彎鋼-混組合軌道梁容許應力提高系數

2.4 初步方案截面力學性能分析

2.4.1 剛度分析

在列車豎向靜活載作用下,預彎鋼-混組合軌道梁梁體產生的豎向最大撓度值為4.76 mm,小于GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》的允許撓度30.25 mm,表明預彎鋼-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,預彎鋼-混組合軌道梁梁體產生的橫向最大撓度值為1.26 mm,小于GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》的允許撓度6.05 mm,表明預彎鋼-混組合軌道梁的橫向撓度滿足要求。

2.4.2 強度分析

不同荷載組合下,預彎鋼-混組合軌道梁荷載計算結果如表2所示。鋼箱梁上緣最大正應力、鋼箱梁下緣最大正應力和鋼箱梁腹板最大剪應力在工況8時有最大值,分別為85.60 MPa、237.10 MPa和57.55 MPa;混凝土頂面最大壓應力在工況9時有最大值,為14.62 MPa。根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》可知,在9種荷載組合工況下,預彎鋼-混組合軌道梁的強度均滿足相關要求。然而,初步設計方案中,各構件的受力遠小于規范值,預彎鋼-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,因此需繼續對所設計的預彎鋼-混組合軌道梁進行優化。

表2 不同荷載組合情況下的預彎鋼-混組合軌道梁荷載計算結果

根據表2的計算結果,選取工況8作為軌道梁鋼箱梁上翼緣最大正應力、鋼箱梁下翼緣最大正應力、鋼箱梁腹板最大剪應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力的最不利工況,進一步對軌道梁的強度和剛度進行力學分析。

3 截面優化分析

3.1 優化目標及方案

在滿足強度、剛度要求的前提下,以用鋼量最省為優化目標,對預彎鋼-混組合軌道梁初步設計方案進行截面優化,本文設計了G1—G3共3個組合的鋼-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,各截面參數組合如表3所示,其他參數均與初步方案模型參數保持一致。

表3 鋼-混組合軌道梁截面參數組合

3.2 優化截面參數分析

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

a) 鋼箱梁上翼緣最大正應力

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

根據預彎鋼-混組合軌道梁強度變化規律,以鋼材利用率高為目標,基于GB 50017—2017《鋼結構設計標準》,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,將優化后的設計方案與初步設計方案的參數進行對比,如表4所示。根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》和GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》的規定,同時結合表4可知,優化方案中軌道梁的剛度和強度均滿足設計要求,且鋼材能夠獲得更大的利用率,與初步設計方案相比,鋼材表面積減少了約29.89%。

表4 初步設計方案與優化設計方案參數對比

4 結語

針對新型跨座式單軌列車的特殊需求,設計了寬度為1 250 mm的跨座式單軌預彎鋼-混組合軌道梁截面形式,基于傳統軌道梁截面形式,在初步確定預彎鋼-混組合軌道梁截面方案后,采用數值模擬的方法對其受力進行分析,強度、剛度均滿足規范要求,并以用鋼量最省為目標,對初步截面形式進行優化,確定了優化后的預彎鋼-混組合軌道梁截面形式。主要獲得以下結論:

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

2) 所提預彎鋼-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度與剛度均滿足規范容許限值;所提優化截面參數方案的頂板厚度、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,優化后的方案可以節省鋼材表面積約29.89%。