六七式铁路舟桥桥脚布置方案优化分析

GXF360 2017-05-28

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六七式铁路舟桥桥脚布置方案优化分析

赵存宝 1，　王晓东 1，　张长国 2，　李玉安 1

(1.石家庄铁道大学国防交通研究所，河北石家庄050043; 2.中铁十八局集团第五工程公司，天津塘沽300450)

摘　要：浮桥以浮动基础来代替复杂的水下固定基础，便于架设和拆除，更便于疏散隐蔽和装车运输，具有较突出的快速性和机动性，是一种短期灵活高效的应急手段。以六七式铁路舟桥为例，基于弹性基础理论，通过ANSYS有限元软件建立实体模型，对浮桥有限元模型进行了静力学和动力学响应的模拟，对六七式铁路舟桥桥脚布置预案进行优化。通过比较几种优化方案中舟桥梁的位移和反力影响线，认为提高舟桥的平均水线面积、缩小桥脚间距可以达到提高铁路舟桥列车通行速度的目的，从而为六七式舟桥提高现阶段应战能力提供依据。

关键词：六七式铁路舟桥；弹性基础梁；通载能力；桥脚布置优化

收稿日期：2015-04-22

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014G008-A)

作者简介：赵存宝(1972—)，男，博士，高级工程师，主要从事流体与结构动力学研究　zhaocb@stdu.edu.cn

DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.04.005

中图分类号：U448.13

　文献标识码：A

　文章编号：1672-3953(2015)04-0018-04

Abstract: With the floating foundation replacing the complicated underwater fixed foundation for the pontoon bridge,the pontoon bridge is made easier to erect and dismantle, more convenient to evacuate and conceal,and quicker to load and transport. With its outstanding advantages of rapidity and maneuverability,the pontoon bridge has become a short-term,flexible and efficient emergency means.With 67-type railway pontoon bridge as a practical example, and basing our research on the basic elasticity theory,a real model is established in the light of the finite element analysis software ANSYS to simulate the static and dynamic responses of the pontoon bridge and optimize the preparatory scheme for the layout of the floating piers of the pontoon bridge.Through comparing the displacement of the beam of the pontoon bridge and counter-force influence lines in different optimized schemes,it is found that raising the average waterline area of the pontoon bridge and shortening the distance between the piers can achieve the goal of raising the passing speed of the train on the pontoon bridge.The result of our research may provide a scientific ground for further improving the fighting capacity of 67-type pontoon bridges.

1　六七式铁路舟桥简介

浮桥是一种古老的桥渡设施，其历史可以追溯到4 000 a前 [1]。与传统的永久桥梁的固定基础相比，浮桥的基础是浮动的，这样建造一座浮桥所需的成本就低，时间短，不会长久的占用桥址场地，因此浮桥在军事上占有极其重要的地位, 是战场上跨越水体障碍必不可少的军事装备之一。另外，浮桥除了在军事方面受到重视，近代民用中更是把它作为一种通载的结构物发挥着重要的作用，尤其是沿海地域 [1]。

浮桥体系按桥脚的布置可分为：分置式和纵置式。分置式是铁路浮桥一种常用形式，其结构特点是船提供浮力，梁部结构承受浮桥纵向弯矩，需要较强的梁部结构。船体与桥轴线正交，宣泄河水通畅，水流阻力小，浮桥横向稳性好。纵置式铁路浮桥：驳船横河流放置，船除提供浮力外，还和梁部结构共同承受浮桥纵向弯矩，梁部结构简单，重量轻、拼组快，但阻水面积大，正倾水阻力增加，适应水流速度受到一定限制 [2-3]。

在战时抢修及平时抢险救灾中，铁路浮桥起着重要作用，但随着时间的推移，某些性能满足不了目前交通应急的需要(如六七式铁路舟桥最大通行速度是15 km/h)。为此本文以我国储备量较大的交通应急用六七式铁路舟桥 [1]为研究对象，通过优化桥脚布置来提高列车通行速度，主要是通过提高浮桥的整体竖向刚度来实现。本文针对多种桥脚布置方案，采用有限元法分析了浮桥河中部分的刚度情况。

2　六七式铁路舟桥分析模型的建立

六七式铁路舟桥的结构型式为分置式桥节，采用钢板梁法兰连接，连续梁体系，可以分为河中部分、过渡部分、活动栈桥以及固定栈桥部分。当各部分增设相应的公路设备以后，便可改进为能够同时通行公路车辆的公铁两用舟桥。本文主要研究的是河中部分和过渡部分的受力情况。常见布置形式如图1所示。

为了便于计算，不考虑栈桥部分的影响，只考虑舟桥的过渡部分对河中部分的影响，并将六七式铁路舟桥的桥跨结构支承在桥脚中心处。在计算模型中，将桥脚的质量作为附加质量加在桥跨结构上，而在桥跨结构支承处设置了弹簧代表水对舟桥的作用，计算简图如图2所示。同时作出如下基本假设：

(1)六七式铁路舟桥简化为抗弯刚度EI相同的弹性基础梁。

(2)浮桥长度为无限长，即两端支承条件的影响不予考虑。

(3)浮桥在无荷载作用下处于水平状态。

(4)浮桥的弹性基础符合温克尔假设，即弹性基础的反力与变位成正比且方向相反。

(5)由于在弹性基础梁的力学模型中充分考虑了水作为弹性基础的作用，因此在振动分析中忽略水介质的阻尼作用。

图1　六七式铁路舟桥布置示意图(单位：mm)

图2　铁路舟桥河中部分计算简图

(6)由于浮桥桥脚的水流横向漂移力通过锚碇来抵消，因此在分析中不考虑水流横向的作用。

主要计算数据如下：荷载，中-18级活载，动载系数为1.1；传统布置桥脚标准中心距为8.1 m；自重作用下水面到轨底的高度4.365 m；梁的惯性矩J BP=3.44×10 6 cm 4；弹性特征系数 β=1/23.3，缩小系数η=0.984 95。

3　浮桥桥脚布置方案优化

3.1　优化方案一、二

首先考虑在全形舟数量不变的前提下提出两种布置方案，两种方案都是调整组成桥脚的全形舟数量，并且在连续梁挠度较大处将桥脚的间距缩小，而在挠度较小的位置稍微扩大桥脚间距，见图3和图4。

对两种方案的舟桥结构建立有限元模型，然后分别在其上施加一移动的单位荷载，分别绘制了传统方案以及调整后的两种方案的结构挠度和反力影响线图。从图5和图6中可以看出,两种调整过的舟桥结构的挠度和反力分布都比优化前的大，即调整后的铁路舟桥相比优化前的铁路舟桥通载能力更弱，说明在桥脚舟数量不变的情况下，优化铁路舟桥布置方案的方法是行不通的。同时从结构力学的角度考虑，若想提高铁路舟桥的通载能力，需减少单位荷载作用下舟桥梁部结构中的应力和挠度，最主要的方法就是增大桥脚的平均水线面面积(铁路舟桥平均水线面面积与桥脚之间间距的比值)，而增大其值无非两种办法，增大舟桥的平均水线面面积或是减小桥脚间距。

图3　铁路舟桥浮游部分模型优化方案一

图4　铁路舟桥浮游部分模型优化方案二

图5　铁路舟桥三种方案的跨中挠度影响线对比

图6　铁路舟桥三种方案边孔桥脚反力影响线对比

3.2　优化方案三、四

采用增加桥脚全形舟数量的方法进行优化，另外提出两种优化方案：第三种方案是在桥脚间距不变的前提下，将河中部分的一条全形舟桥脚改为每隔一个一条全形舟桥脚设置一个两条全形舟的桥脚(如图7)；第四种方案很简单，桥脚的组成不变，仍是一条全形舟，而将连续长梁8.1 m的桥脚间距缩小为5.4 m的桥脚间距(如图8)。

图7　铁路舟桥浮游部分模型优化方案三

图8　铁路舟桥浮游部分模型优化方案四

图9～图12分别给出了两种优化方案与传统方案中桥梁结构跨中和铰接点处挠度和剪力影响线的对比结果。从图中可以看出，相比传统方案和第三种优化方案，第四种优化方案梁部跨中剪力小很多，而挠度也有相应改善。比较而言，第四种方案相比其它方案相对合理，第三种方案梁部跨中剪力最大。

总之，通过四种优化方案与传统方案力学性能的对比，可以得出几点结论：对于组成桥脚的全形舟个数不变的前提下，通过改变桥脚的大小以及桥脚之间的间距来达到铁路舟桥优化的目的，从而提高铁路舟桥列车活载通行速度的前两种方案，无法达到预期的效果。对于后两种优化方案，即通过提高舟桥的平均水线面积和缩小桥脚间距对舟桥进行优化，可以看出这两种优化后的浮桥系统力学特性得到改善，尤其以第四种优化方案更为突出，优化后的竖向刚度得到大幅度提高。