橫隔板對簡支T梁橫向動力特性的影響

1、橫隔板對簡支T梁橫向動力特性的影響摘要：針對鐵路提速后雙片式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橫向剛度不足的問題，以40m雙片式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁為研究對象，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梁體的自振特性貢獻要大得多，當(dāng)橫隔板厚度加厚至0.6m0.8m,且同時加厚兩側(cè)梁端各3塊橫隔板時，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梁加固單線預(yù)應(yīng)力混凝土T型截面簡支梁在我國既有鐵路橋梁上應(yīng)用很廣。這些簡支T梁大都設(shè)計于20世紀60-70年代，兩片T梁沿縱向分開，通過橫隔板連接，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)過長期運營，尤其是近年來在鐵路提速過程中，一些梁的橫隔板斷裂、混凝土剝落，在列車通過時跨中橫向振幅過大，已不能滿足我國現(xiàn)行鐵路橋梁檢定規(guī)范的要求。為了提高鐵路運輸質(zhì)量和在運輸市場的競爭力，我國鐵路干線實施全面提速。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，部分提速干線列車時速將達到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)造不能滿足提速列車的運行條件，就有必要對這些鐵路橋梁進行加固改造以滿足安全運營的要求。常用的增強橫向剛度的方法有加強橫隔板、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)力混凝土簡支T梁為研究對象，較為系統(tǒng)地分析了橫隔板參數(shù)對梁體動力特性的影響規(guī)律，這對提高鐵路橋梁設(shè)計質(zhì)量和對現(xiàn)有橋梁進行正確的狀態(tài)評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支T梁全長40.6m,兩片T梁在縱向分開，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計算模型及加固方案理論分析2.1計算模型以上述雙片式簡支T梁為研究對象，采用大型有限元軟件ANSYS按實際尺寸建立有限

4、元模型，采用實體八節(jié)點六面體solid45單元，按實際支座模擬邊界條件。由于實橋橫隔板為非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其強度與梁體相比要有所降低，因此在模型中對其彈性模量進行折減。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。多自由度體系無阻尼自由振動方程為：2.2加固方案理論分析橋梁的振動是由橋上運行列車引起的外激振動，其振動相應(yīng)的大小與外界激勵的大小和橋梁本身抵抗變形的能力即橋梁的剛度有關(guān)。車橋系統(tǒng)橫向振動在橋梁上的直接反映為梁的橫向振幅和振動頻率。引起橋梁橫向振動的機理有以下幾種原因。轉(zhuǎn)向架的蛇行運動和橫向擺振。轉(zhuǎn)向架的蛇行運動是導(dǎo)致橋梁橫向振動的主要原因之一。線路軌道不平順，

5、促使列車在橋上運行出現(xiàn)側(cè)滾和不均勻搖擺，對橋梁橫向造成更大沖擊。貨物列車的編組影響。風(fēng)的作用。橋梁本身的剛度不足和一般病害。根據(jù)車橋系統(tǒng)振動理論，列車、橋梁和墩臺是相互作用和相互制約的關(guān)系。實測數(shù)據(jù)和理論分析又表明：普通橋墩(非嚴重病害墩或非橫向大柔性墩)的振動對橋梁的振動影響較小。因此可以認為，在某種特定列車作用下，車橋振動響應(yīng)主要取決于橋梁狀態(tài)。當(dāng)橋梁橫向振動加劇時，橋上機車車輛的響應(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、列車運行平穩(wěn)度亦隨之下降，盡管機車、車輛的豎向振動加速度、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

6、題是車、橋橫向振動問題，對橋梁來說就是要提高橫向剛度問題，具體來說，必須提咼橋梁橫向振動的自振頻率，并降低橫向振動的振幅，即降低橫向撓跨比。簡支梁的自振頻率f的計算公式為：式中：，為簡支梁跨度，EI為橋梁抗彎剛度，m為橋梁單位長度質(zhì)量。由簡支梁自振頻率計算公式可知，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)作用的強弱變化（通過改變混凝土彈性模量）對豎向、橫向自振基頻的影響。通過對圖2的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫向聯(lián)結(jié)很弱時，兩片梁基本相當(dāng)于是在獨立工作，梁體整體橫向一階自振頻率

7、偏低，當(dāng)橫向聯(lián)結(jié)得到加強之后梁體橫向一階自振頻率迅速提高。既有線路T梁橫向剛度偏小，振幅偏大的一個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橫隔板對梁體自振特性的影響通過改變橫隔板的數(shù)量及分布、橫隔板厚度等參數(shù)來研究對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所示進行編號。跨中的橫隔板編號為1號隔板，從跨中到兩側(cè)兩端均依次為1-6號隔板。3.1有無橫隔板對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計算工況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計算工況b(1)-工況b(7)的變化情況。通過對圖4、圖5的分析，可以得出以下結(jié)論。橫隔板數(shù)量的多少和位置對梁的豎向基頻基本上沒有影響。當(dāng)去掉中部所有的橫隔板，僅保留6#端橫隔板時(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(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(工況b-7)，橫向基頻與單片T梁相當(dāng)。靠近梁端的橫隔板的聯(lián)結(jié)剛度對梁體橫向自振頻率的影響較大。3.2橫隔板組合方式對自振特性

9、的影響將不同位置處的橫隔板分別進行組合，分析其組合方式對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。通過對圖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梁的豎向基頻基本上沒有影響。除4、6號隔板組合后的橫向剛度與5、6號隔板組合接近外，其余任意兩種編號的橫隔板組合的橫向剛度均小于5、6號組合。3.3橫隔板厚度對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變化時對梁體基頻的影響。計算結(jié)果如

10、圖8所示。通過對圖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，在隔板厚度為0.70m、0.84m時，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，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)濟性和施工的可行性角度來考慮，橫隔板厚度不宜超過1m。3.4橫隔板加固方案的優(yōu)化根據(jù)前述對橫隔板位置、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1m，靠近梁端的隔板對其橫向基頻貢獻很大。根據(jù)上述原則，選定橫隔板加厚至0.7m,對不同的橫隔板進行加厚，分析其對梁體自振特性的影響。其計算結(jié)果如圖9、圖10所示。通過對圖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，梁體的橫向基頻最高，達到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%。說明同時加厚兩側(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)語通過改變橫隔板的位置、數(shù)量和厚度，水平板的位置及長度等參數(shù)，計算分析了其對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