危险火灾场景下铁路钢桥温度场和极限承载力研究

选择典型铁路桥梁64 m单线钢桁梁为研究对象,对其火灾作用下的温度场分布情况和力学行为进行分析。基于桥梁结构特点,分析可能发生的火灾场景,确定桥面列车火灾为危险场景,并提出温度场升温曲线。通过危险火灾场景下的升温曲线对钢桁梁桥温度场进行分析,发现构件受火时间超过25 min时的温度基本接近火灾烟气温度;将桥梁温度场赋予到力学有限元模型中进行力学分析,发现受火约38 min时钢桁梁达到极限破坏状态,耐火极限较小。     

火灾下矩形钢筋混凝土梁柱温度场的CA模拟

建筑物遭受火灾高温作用时构件的承载力、耐久性会受到不同程度的损伤,使整个建筑结构的安全性降低。确定火灾下混凝土结构的温度场分布是进行火灾下力学性能分析的前提,而混凝土结构温度场一般不受其内力和变形状态影响,因此温度场分析可以先于结构分析独立进行。本文基于元胞自动机(Cellular Automata,CA)原理建立了火灾下钢筋混凝土热扩散的CA模型,并通过CA模型复原了传热过程。使用CA模型计算分析了失火混凝土梁柱试件三面受火的情况下横截面内温度分布场,并和现有试验结果进行了比较,两者吻合度较好,证实了CA模型在火灾下钢筋混凝土中温度场分析的可行性和有效性。运用CA模型对不同受火方式下的矩形钢筋混凝土梁柱温度场进行分析,得到钢筋混凝土梁柱截面内的温度损伤与受火方式及受火时间密切相关。四面受火时,温度损伤最为严重,且靠受火面越近升温速度越快。     

带上盖物业地铁车辆段盖板结构耐火性能研究

通过对规范和工程案例的研究,确定地铁车辆段盖板结构主要构件的耐火极限及设计措施。基于热弹塑性本构模型编制非线性有限元分析程序,对钢筋混凝土盖板结构中的最不利楼板和主梁的瞬态温度场以及火灾下的力学行为进行数值模拟,计算结果验证了盖板结构中的梁和楼板的设计措施能够满足3.00 h耐火极限的要求。对比研究火灾下双向板与单向板的温度应力和高温塑性变形,得出薄膜效应的特征与板件长宽比的关系。通过回归分析,提出受火3.00 h时背火面温升与沿温度梯度方向厚度的关系曲线,明确盖板结构厚度最小取值。研究结果可为此类结构的防火设计提供参考。     

客运专线中"V"型钢管混凝土拱桥极限承载力研究

针对铁路钢管混凝土拱桥桥面较窄、承受活载较大、稳定问题突出的特点,采用弹性屈曲,几何非线性屈曲,几何和材料双重非线性屈曲3种方法对钢管混凝土拱桥极限承载力进行分析,并以某客运专线上的一“V”型墩刚构,主跨为220 m中承式钢管混凝土拱桥为例,运用有限元程序对该桥的极限承载力进行参数分析与比较,给出影响拱桥极限承载力的主要参数。研究结果表明:结构极限承载力与结构材料非线性、材料屈服应力、荷载分布方式以及温度的变化有关联。这些参数的选择与使用,与结构极限承载力的准确度密切相关。     

低高度铁路桥梁被撞后的承载能力检算

跨越公路的铁路桥梁在建成投入运营后,桥下公路车辆超高、超限行驶,对桥梁的梁体刮蹭、碰撞时有发生,严重时,导致梁体混凝土脱落、钢筋外露甚至断裂。本文以某铁路桥1-16m低高度梁被撞导致4根主筋断裂为例,介绍了被撞桥梁的承载能力检算方法。     

雁荡山2×90m钢箱叠合拱桥设计研究

雁荡山桥位于浙江省乐清市雁荡镇境内,毗邻雁荡山麓,主桥大斜交跨越甬台温高速公路。受桥下净空限制,以及雁荡山风景区对景观的要求,主桥采用结构新颖、造型美观的2×90 m下承式叠合拱无推力拱桥式结构,阐述叠合拱桥设计研究的主要成果。     

朔准黄河桥极限承载力分析

研究目的:大跨度钢管混凝土拱桥以其特有的自重轻、强度大、抗变形能力强、施工方便和外形美观等优点,被大量地的用于桥梁结构中。本文以一座在建360 m钢管混凝土拱桥为例,采用通用程序ANSYS建立该桥的空间有限元计算模型,分别对该桥进行裸拱状态和考虑拱上建筑共同作用状态下的特征值屈曲稳定性分析、考虑几何和材料双重非线性的极限承载力分析,并对计算结果进行比较分析,给出拱桥极限桥承载力计算的一般性方法。研究结论:(1)考虑拱上结构的特征值屈曲分析结果最小值为13.477,裸拱的特征值屈曲分析结果最小值为6.673,均大于规范要求的4～5,拱肋截面满足面内和面外的稳定性要求;(2)拱桥极限承载力计算结果最小值为2.252,表明在双重非线性及结构初始缺陷的影响下,主力工况下,全桥结构的安全系数为2.252,满足考虑结构的非线性影响弹塑性稳定安全系数不得小于2的要求,结构设计合理;(3)拱上墩柱等拱上结构对全桥的计算刚度有较大的贡献,但对全桥的极限承载力影响较小;(4)特征值屈曲分析结果是非保守的计算结果,在实际结构设计过程中,必须考虑双重非线性及初始缺陷等对结构极限承载力的影响。     

承受特殊活载的简支槽形箱梁结构设计

介绍涟源钢铁厂铁水运输专线上的一座64 m简支槽形箱梁的设计特点。该桥跨度大,与温福铁路线上的白马河特大桥跨度相同,共同创造了铁路简支梁跨度世界最大的记录;承受活载大,铁水罐车重力大约是中活载的3倍;温度受力复杂,罐车体外温度理论计算值为296℃,由于空气和桥梁的热工参数不易确定,难以计算车体移动热辐射在桥梁中产生的温度场。设计中采用下部弧形箱梁加上部翼墙的组合截面形式,以降低结构建筑高度,满足桥下净空要求。采用分段浇筑的施工方法,先浇筑箱梁后浇筑翼墙,具有组合结构的受力特征。针对该桥上述受力特点进行了详细的计算和分析,确定了合理的截面形式和尺寸,优化了预应力的张拉顺序,探讨了不同温度模式下桥梁的受力状况。设计表明,各项指标均满足相关规范要求,并有足够的安全系数,文中提出的计算方法和结论可供同类桥梁设计参考。     

低净空桥下接触网特殊安装结构的运行分析及优化措施

在我局管内的电气化铁路上有200余处低净空上跨桥,接触网通过低净空上跨桥下时往往采用特殊悬挂结构,长期运行中存在诸多安全隐患.以京沪线符离集至夹沟区间低净空上跨钢梁桥下接触网安装结构为例,研究、分析接触网存在的安全隐患,提出接触网优化改造方案及改善接触网运行品质的相关建议.     

高墩大跨度上承式连续钢桁梁桥温致变形规律

桥梁的纵向位移受活载影响较小，温度效应是影响大跨度钢桥变形行为及受力规律的重要因素，直接关系到桥梁结构安全。本文以墩高154 m，孔跨布置（108.0+151.5+249.0+151.5+108.0）m的上承式连续钢桁梁为背景，依据桥梁监测数据分析了高墩大跨度上承式钢桁梁桥包括结构温度场时变特征，以及桥梁支座位移、桥面纵向位移、温度零点等随温度及时间的变化规律。结果表明：钢桁梁桥温度场在时间维度上存在明显变化，相对于年温度场的变化，大桥日温度场变化较为显著；在同一大气温度条件下，各测点温度波峰出现的时间存在时滞效应；两侧桥台处支座及伸缩缝位移与日温差变化关联性较强。桥梁边墩支座纵向位移与温度近似呈线性关系，但中墩支座活动性能不良，说明在环境温度作用下，支座未能克服桥梁上部结构自重引起的摩阻力，桥梁结构的整体受力与理想设计状态有所差异；由于支座摩阻力不可忽略，桥梁温度零点位置随着温度的变化而发生漂移，且与原设计位置偏差较远，导致各测点纵向位移和日温差的相关性与原设计状态存在偏差。     

钢桁梁桥上无缝线路空间耦合模型研究

由于钢桁梁桥的桥梁结构和桥上无缝线路的轨道结构具有特殊性,不能使用简单的桥上无缝线路计算模型,为了更好地分析其受力与变形,以某8×33.7 m栓焊简支桁梁桥上无缝线路为例,采用ANSYS有限元软件建立了桥上无缝线路空间耦合模型。该模型充分考虑了钢桁梁桥纵梁、横梁、桁杆、桥墩和无缝线路钢轨、扣件、轨枕等的细部结构,及各部件对整体力学特性的影响,可以计算钢轨及桥墩在温度荷载和车辆荷载作用下所产生的附加力,也可以对梁缝纵向变化量、钢轨横向变形、桥梁竖向挠度等进行计算。     

实测温度下大跨度桥上纵连无砟轨道受力研究

研究目的:既有桥上纵连板式无砟轨道研究多考虑桥梁整体温度变化而忽略温度梯度的影响,为探明高速铁路大跨度桥上纵连板式无砟轨道系统受力规律,本文基于长期实测温度场数据,利用统计方法获得结构具有概率保证的非线性温度模式,建立考虑钢轨-轨道板-底座板-梁体-桥墩的空间一体化有限元模型,选取沪昆客运专线某大跨连续梁桥工程实例,计算分析实测非线性温度模式下桥上各层轨道结构相对位移以及钢轨纵向附加力的分布规律。研究结论:(1)只考虑轨道板及底座板实测温度模式时,钢轨附加应力基本为0;(2)桥梁温度梯度会引起梁缝处钢轨附加应力的急剧增大,在研究桥上纵连板式无砟轨道时需考虑桥梁温度梯度的影响;(3)大跨度连续梁桥固结机构处水泥沥青砂浆变形会超过其实测极限变形位移,建议在连续梁固结机构上方同样设置剪力钢筋;(4)无砟轨道断板会导致钢轨附加应力急剧增大,因此应严格限制纵连板式无砟轨道断裂的发生,若需更换轨道板及底座板时,应在合龙温度范围进行更换;(5)本研究结果可为大跨度桥上纵连板式无砟轨道的设计与改进提供参考。     

铁路钢桥横向刚度限值分析

根据对发生过脱轨事故桥梁的分析,得出桥上列车脱轨的主要原因是桥梁横向刚度不足。多起桥上列车脱轨事故表明:现有铁路钢桥横向刚度限值不能预防列车脱轨,原因是现有桥梁横向刚度限值分析方法不能分析桥上列车走行安全性。基于列车脱轨能量随机分析理论,提出新的铁路桥梁横向刚度限值分析方法。具体步骤是:建立具有安全系数的预防脱轨条件,确定在设计车速下预防脱轨的桥梁横向刚度限值,代入此值检算桥上列车走行平稳性与舒适性。该方法确定的桥梁横向刚度限值既能保证列车平稳舒适运行,又可防止脱轨。运用此方法,制定的提速线32和40 m上承式钢板梁桥的横向刚度限值分别是主梁中心距为2.36和2.55m,提速线3×80连续钢桁梁桥的横向刚度限值是主桁中心距为6.61 m。     

大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥极限承载力分析

针对大悬臂展翅结构的极限承载能力问题,以某大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁桥为实际工程背景,建立精细的空间有限元模型进行数值分析。考虑结构几何非线性和材料非线性,研究偏心集中荷载、对称集中荷载、均布荷载3种工况作用下,结构的极限承载能力及裂缝的分布规律。结果表明,对称加载形式的极限承载能力大于非对称加载形式的极限承载能力;非对称荷载作用下,桥梁应力及裂缝分布也具有较大非对称性,且悬臂板根部更加容易出现裂缝,均布荷载作用下,桥梁边跨应力状况劣于中跨。     

碳纤维加固既有铁路桥梁结构技术的应用

通过对加固后的桥梁进行验算以及采用桥梁结构专用分析软件QUC进行数值模拟计算,研究了碳纤维加固对16 m跨径钢筋混凝土T形梁桥承载能力的影响.结合黄陵-李章河麦洛安西大桥加固工程实例,介绍了碳纤维材料的特点,碳纤维加固桥梁结构的机理、加固方案的选取以及采用碳纤维布黏贴加固方法和施工工艺.通过对麦洛安西既有铁路桥梁采用碳纤维加固处理后的现场检测与理论计算的对比,证实碳纤维加固有效提高了桥梁的承载能力,满足了该桥现有使用功能的需要.     

高温下钢管混凝土温度场的非线性有限元分析

在高温下,材料的热工性能随温度变化而变化,为了对钢管混凝土耐火性能进行理论分析,了解高温下钢管混凝土的承载力及变形变化规律,首先必须分析钢管混凝土的温度场.高温下混凝土中的自由水汽化、水化物和凝胶等发生分解,这些物理化学反应将吸收热能,从而造成温度滞后.在合理地确定了火灾情况下钢管混凝土柱受火模型的基础上,应用有限元程序ANSYS,假定钢管和混凝土完全接触,采用增大混凝土比热的办法考虑温度滞后的现象,可以较准确计算四面均匀受火下钢管混凝土柱的温度场.其研究工作有助于进一步深入认识钢管混凝土柱在高温下的力学性能和耐火极限.     

桥梁温度跨度对双块式无砟轨道无缝线路的影响研究

为研究桥梁温度跨度对桥上双块式无砟轨道无缝线路的影响,运用线板桥墩一体化模型,计算不同温度跨度下,分别采用常阻力和小阻力扣件时的钢轨纵向力、道床板纵向力、抗剪凸台纵向力、梁轨相对位移以及钢轨断缝,分析桥梁温度跨度对轨道结构强度与变形的影响。结果表明:(1)随着桥梁温度跨度的增加,钢轨伸缩、挠曲、制动附加力和梁轨相对位移均增大;道床板、抗剪凸台纵向力和钢轨断缝保持不变。(2)扣件阻力减小时,轨道结构纵向力均减小;但梁轨相对位移和钢轨断缝增大。(3)为保证钢轨强度要求,当桥上铺设常阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取135m;当桥上铺设小阻力扣件时,桥梁温度跨度限值可取250m。     

赣州至深圳高速铁路桥梁总体设计及技术创新

赣州至深圳高速铁路是京港高速铁路的重要组成部分，设计速度350 km/h,采用无砟轨道，正线长度436 km,其中桥梁占线路长度47%。介绍赣深高铁的工程概况、桥梁设计原则及其主要技术特点，并结合复杂的建设条件，提出铁路桥梁的总体设计方案、主要桥梁结构和桥梁设计创新技术。以剑潭东江特大桥(136+260+136) m四线预应力混凝土部分斜拉桥为工程背景，研究四线线间距(5.0+14+4.6) m条件下大跨桥梁的桥型方案、结构受力和桥梁变形，解决了四线宽幅斜拉桥一孔跨越通航水域的问题；开展速度160～350 km/h桥上半封闭声屏障关键技术研究。结果表明，在标准梁上采用双侧半封闭、顶部开口8 m宽的门式半封闭声屏障结构降噪效果显著；为解决线位小角度跨越运营高速铁路的问题，设计采用钢盖梁门式墩跨越、梁部侧位现浇后横向顶推的方案；对桥上设置铁路综合检测房的需求进行深入研究，创新采用了以纵横梁体系为主的桥建合一特殊结构。     

大跨度铁路钢桁梁柔性拱桥极限承载能力研究

研究目的:钢桁梁柔性拱桥具有强大的承载能力及跨越能力,也是大跨度铁路桥梁常用桥型之一,其跨度不断发展。针对铁路钢桁梁柔性拱桥的极限承载力问题,本文同时采用MIDAS及ANSYS两种有限元软件建立一座双主跨360 m的大跨径下承式钢桁梁拱桥的有限元模型,通过对比双主跨满载等三个荷载工况的线弹性承载力分析,并考虑结构几何非线性、几何与材料双重非线性的影响,系统分析大跨度铁路钢桁梁柔性拱桥的极限承载力。研究结论:(1)由线弹性承载力的计算对比分析可知,实际结构在恒载+主跨满载的工况下,结构的受力最不利杆件为拱肋及主桁上弦杆和斜腹杆部分,杆件应力达到屈服时的承载力系数最小为2.06;(2)线弹性极限稳定承载系数介于10.64～12.46,均为拱肋的整体失稳破坏,最不利的荷载工况为恒载+主跨活载,表明桥梁结构的稳定承载力远大于杆件强度承载力;(3)考虑p-Δ效应与整体、局部几何偏位初始缺陷后,计算得到的稳定承载系数依次降低至2.75、2.65,表明几何偏位初始缺陷会显著降低极限稳定承载能力,考虑材料非线性后极限稳定承载力系数进一步降低至2.20;(4)验证了桥梁结构具有良好的稳定承载能力及构件强度承载能力,可为类似桥梁极限承载能力分析提供参考。     

96 m钢-混组合桁架梁设计

新建安九铁路跨越武九客专受桥下净空限制,需采用大跨度、低高度桥式结构;同时结合后期维修养护及无砟轨道技术需求,桥面板宜采用混凝土结构,综合考虑本桥采用1-96 m钢-混组合桁架梁跨越武九客专。而96 m钢-混组合桁架梁结构为目前国内同类型桥梁结构最大跨径,并且首次应用于时速350 km无砟轨道。本文结合工程背景详细阐述96 m钢-混组合桁架梁整体设计思路,并对其结构尺寸、受力分析和施工方法进行深入探讨。本工程在安九铁路的成功应用为同类型结构在高速铁路上的推广应用积累了宝贵的设计和施工经验。