橫隔板對(duì)簡(jiǎn)支T梁橫向動(dòng)力特性的影響

1、橫隔板對(duì)簡(jiǎn)支T梁橫向動(dòng)力特性的影響摘要：針對(duì)鐵路提速后雙片式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁橫向剛度不足的問(wèn)題，以40m雙片式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象，系統(tǒng)的分析了橫隔板的位置、數(shù)量和厚度等參數(shù)對(duì)梁體自振特性的影響規(guī)律。分析表明：靠近梁端的橫隔板比跨中的橫隔板對(duì)梁體的自振特性貢獻(xiàn)要大得多，當(dāng)橫隔板厚度加厚至0.6m0.8m,且同時(shí)加厚兩側(cè)梁端各3塊橫隔板時(shí)，是橫隔板加固的最優(yōu)方案。關(guān)鍵詞：鐵路橋提速預(yù)應(yīng)力混凝土T梁加固單線(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土T型截面簡(jiǎn)支梁在我國(guó)既有鐵路橋梁上應(yīng)用很廣。這些簡(jiǎn)支T梁大都設(shè)計(jì)于20世紀(jì)60-70年代，兩片T梁沿縱向分開(kāi)，通過(guò)橫隔板連接，且數(shù)量較少，不能完全起到保證2片T梁相互連

2、成整體的作用，不能很好地共同抵抗橫向彎曲。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，尤其是近年來(lái)在鐵路提速過(guò)程中，一些梁的橫隔板斷裂、混凝土剝落，在列車(chē)通過(guò)時(shí)跨中橫向振幅過(guò)大，已不能滿(mǎn)足我國(guó)現(xiàn)行鐵路橋梁檢定規(guī)范的要求。為了提高鐵路運(yùn)輸質(zhì)量和在運(yùn)輸市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)鐵路干線(xiàn)實(shí)施全面提速。鐵道部在充分吸收前面五次大面積提速的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2005年提出了第六次鐵路大提速，部分提速干線(xiàn)列車(chē)時(shí)速將達(dá)到200km/h。提速必須以保證安全為前提，既然已有一些橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不能滿(mǎn)足提速列車(chē)的運(yùn)行條件，就有必要對(duì)這些鐵路橋梁進(jìn)行加固改造以滿(mǎn)足安全運(yùn)營(yíng)的要求。常用的增強(qiáng)橫向剛度的方法有加強(qiáng)橫隔板、增設(shè)水平板、加寬橋面板、施加體外預(yù)應(yīng)力等

3、。本文以40m鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象，較為系統(tǒng)地分析了橫隔板參數(shù)對(duì)梁體動(dòng)力特性的影響規(guī)律，這對(duì)提高鐵路橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量和對(duì)現(xiàn)有橋梁進(jìn)行正確的狀態(tài)評(píng)估和選擇合理的加固方案都具有非常重要的意義。1橋梁概況該雙片式簡(jiǎn)支T梁全長(zhǎng)40.6m,兩片T梁在縱向分開(kāi)，只在橫隔板處相連。兩片T梁中心距為2m，梁高3m。全橋共設(shè)置11道橫隔板，橫隔板間距為4m,中部橫隔板端部厚0.14m，端橫隔板厚0.33m。腹板在梁端局部部腹板厚0.6m,在梁端第一節(jié)間厚0.2m，其余均為0.15m。2計(jì)算模型及加固方案理論分析2.1計(jì)算模型以上述雙片式簡(jiǎn)支T梁為研究對(duì)象，采用大型有限元軟件ANSYS按實(shí)際尺寸建立有限

4、元模型，采用實(shí)體八節(jié)點(diǎn)六面體solid45單元，按實(shí)際支座模擬邊界條件。由于實(shí)橋橫隔板為非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度與梁體相比要有所降低，因此在模型中對(duì)其彈性模量進(jìn)行折減。二期恒載作用等效為均布荷載分布于橋面板上。全橋結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。多自由度體系無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程為：2.2加固方案理論分析橋梁的振動(dòng)是由橋上運(yùn)行列車(chē)引起的外激振動(dòng)，其振動(dòng)相應(yīng)的大小與外界激勵(lì)的大小和橋梁本身抵抗變形的能力即橋梁的剛度有關(guān)。車(chē)橋系統(tǒng)橫向振動(dòng)在橋梁上的直接反映為梁的橫向振幅和振動(dòng)頻率。引起橋梁橫向振動(dòng)的機(jī)理有以下幾種原因。轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)和橫向擺振。轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致橋梁橫向振動(dòng)的主要原因之一。線(xiàn)路軌道不平順，

5、促使列車(chē)在橋上運(yùn)行出現(xiàn)側(cè)滾和不均勻搖擺，對(duì)橋梁橫向造成更大沖擊。貨物列車(chē)的編組影響。風(fēng)的作用。橋梁本身的剛度不足和一般病害。根據(jù)車(chē)橋系統(tǒng)振動(dòng)理論，列車(chē)、橋梁和墩臺(tái)是相互作用和相互制約的關(guān)系。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析又表明：普通橋墩(非嚴(yán)重病害墩或非橫向大柔性墩)的振動(dòng)對(duì)橋梁的振動(dòng)影響較小。因此可以認(rèn)為，在某種特定列車(chē)作用下，車(chē)橋振動(dòng)響應(yīng)主要取決于橋梁狀態(tài)。當(dāng)橋梁橫向振動(dòng)加劇時(shí)，橋上機(jī)車(chē)車(chē)輛的響應(yīng)，如橫向加速度、脫軌系數(shù)、搖擺力、輪壓減載率等將隨之增大，而且旅客乘坐舒適度、列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)度亦隨之下降，盡管機(jī)車(chē)、車(chē)輛的豎向振動(dòng)加速度、豎向舒適度、平穩(wěn)度等可能都在允許范圍內(nèi)。故橋梁在提速與重載狀態(tài)下的主要問(wèn)

6、題是車(chē)、橋橫向振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)橋梁來(lái)說(shuō)就是要提高橫向剛度問(wèn)題，具體來(lái)說(shuō)，必須提咼橋梁橫向振動(dòng)的自振頻率，并降低橫向振動(dòng)的振幅，即降低橫向撓跨比。簡(jiǎn)支梁的自振頻率f的計(jì)算公式為：式中：，為簡(jiǎn)支梁跨度，EI為橋梁抗彎剛度，m為橋梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量。由簡(jiǎn)支梁自振頻率計(jì)算公式可知，提高梁體橫向自振頻率可以采用：（1）加大橋梁橫向抗彎剛度，減小橋梁自重。影響雙片式T梁的橫向剛度的主要因素是兩片T梁之間的橫向聯(lián)結(jié)作用。圖2給出了兩片T梁之間的橫向聯(lián)結(jié)作用的強(qiáng)弱變化（通過(guò)改變混凝土彈性模量）對(duì)豎向、橫向自振基頻的影響。通過(guò)對(duì)圖2的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫向聯(lián)結(jié)很弱時(shí)，兩片梁基本相當(dāng)于是在獨(dú)立工作，梁體整體橫向一階自振頻率

7、偏低，當(dāng)橫向聯(lián)結(jié)得到加強(qiáng)之后梁體橫向一階自振頻率迅速提高。既有線(xiàn)路T梁橫向剛度偏小，振幅偏大的一個(gè)重要原因就是兩片梁之間的橫向聯(lián)結(jié)作用偏于弱。因此，要提高雙片式T梁的橫向剛度的關(guān)鍵就是要保證兩片梁體之間的聯(lián)結(jié)、保證兩片梁體在荷載作用下的共同受力(圖2)。3橫隔板對(duì)梁體自振特性的影響通過(guò)改變橫隔板的數(shù)量及分布、橫隔板厚度等參數(shù)來(lái)研究對(duì)梁體自振特性的影響，找出其影響規(guī)律，得出最優(yōu)的加固方案。為了便于表述，將橫隔板按圖3所示進(jìn)行編號(hào)?？缰械臋M隔板編號(hào)為1號(hào)隔板，從跨中到兩側(cè)兩端均依次為1-6號(hào)隔板。3.1有無(wú)橫隔板對(duì)梁體自振特性的影響隔板厚度保持不變，依次去掉一定數(shù)量的橫隔板，分析了兩片T梁梁體自振

8、基頻與橫隔板位置的影響規(guī)律。圖4為從跨中往梁端依次去掉橫隔板時(shí)計(jì)算工況a(l)-工況a(7)的變化情況，圖5為從梁端往跨中依次去掉橫隔板時(shí)計(jì)算工況b(1)-工況b(7)的變化情況。通過(guò)對(duì)圖4、圖5的分析，可以得出以下結(jié)論。橫隔板數(shù)量的多少和位置對(duì)梁的豎向基頻基本上沒(méi)有影響。當(dāng)去掉中部所有的橫隔板，僅保留6#端橫隔板時(shí)(工況a-7)，橫向基頻僅下降4.6%,比單片T梁橫向基頻高20%。當(dāng)僅去掉6#端橫隔板時(shí)(工況b-1),橫向基頻下降了11.2%,而當(dāng)僅保留跨中1#隔板時(shí)(工況b-7)，橫向基頻與單片T梁相當(dāng)?？拷憾说臋M隔板的聯(lián)結(jié)剛度對(duì)梁體橫向自振頻率的影響較大。3.2橫隔板組合方式對(duì)自振特性

9、的影響將不同位置處的橫隔板分別進(jìn)行組合，分析其組合方式對(duì)梁體自振基頻的影響，從而得出最優(yōu)的組合方式。圖6、圖7分別示出了梁體自振基頻與不同組合方式的變化情況。通過(guò)對(duì)圖6、圖7的分析，可以得出以下結(jié)論。橫隔板不同組合方式對(duì)梁的豎向基頻基本上沒(méi)有影響。除4、6號(hào)隔板組合后的橫向剛度與5、6號(hào)隔板組合接近外，其余任意兩種編號(hào)的橫隔板組合的橫向剛度均小于5、6號(hào)組合。3.3橫隔板厚度對(duì)梁體自振特性的影響在保持梁體橫隔板數(shù)量不變的條件下(共11塊)，除6號(hào)橫隔板厚保持0.33m外，其余橫隔板厚度整體按0.14m、0.28m、0.42m，0.56m、0.70m、0.84m變化時(shí)對(duì)梁體基頻的影響。計(jì)算結(jié)果如

10、圖8所示。通過(guò)對(duì)圖8的分析，可以得出以下結(jié)論。隨著橫隔板厚度的增加，梁體橫向自振頻率有所增長(zhǎng)，在隔板厚度為0.70m、0.84m時(shí)，橫向自振頻率分別比原梁增加21.3%、21.9%。由于梁體自重的增加，因此梁體的豎向自振頻率比原梁有所下降，在隔板厚度為0.70m、0.84m時(shí)，豎向自振頻率分別比原梁下降了5.2%、7.2%。雖然橫隔板厚度繼續(xù)增加，梁體的橫向剛度還可繼續(xù)提高，但是從自振提高的效率，經(jīng)濟(jì)性和施工的可行性角度來(lái)考慮，橫隔板厚度不宜超過(guò)1m。3.4橫隔板加固方案的優(yōu)化根據(jù)前述對(duì)橫隔板位置、數(shù)量、分布及厚度等參數(shù)的分析和比較，其橫隔板厚度不宜超過(guò)1m，靠近梁端的隔板對(duì)其橫向基頻貢獻(xiàn)很大。根據(jù)上述原則，選定橫隔板加厚至0.7m,對(duì)不同的橫隔板進(jìn)行加厚，分析其對(duì)梁體自振特性的影響。其計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。通過(guò)對(duì)圖9、圖10的分析，可以得出以下結(jié)論：4#、5#和6#橫隔板均加厚至0.7m時(shí)，梁體的橫向基頻最高，達(dá)到2.819Hz，比原梁提高了27%，一階扭轉(zhuǎn)和二階橫向自振頻率分別提高了34%和26%，一階豎向自振頻率僅下降了0.9%。說(shuō)明同時(shí)加厚兩側(cè)梁端各3塊橫隔板厚度至，是橫隔板加固的最優(yōu)方法。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)改變橫隔板的位置、數(shù)量和厚度，水平板的位置及長(zhǎng)度等參數(shù)，計(jì)算分析了其對(duì)梁體自振特性的影響規(guī)律，確定了合理的加固方案，得到了如下的結(jié)論。在厚度保