海外铁路建设项目明桥面木枕安全检算分析

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【摘要】木枕由于其弹性好、易加工、运输及安装，有较好的绝缘性能等优点，一直以来在铁路钢桥上占据着重要的位置，同时，木枕的合理选材和安全检算也是保障铁路钢桥使用寿命和铁路运营期安全的重要前提，本文就安哥拉铁路I期项目明桥面木桥枕材料进行了相关的安全检算分析。

【关键字】安哥拉铁路项目；明桥面；木枕；安全；检算

近年来，非洲国家经济逐渐好转，陆续开始大力推动低标准的铁路基础设施建设，在跨越既有设施或高填方段之间的线路，一般都会采用较经济和快捷的简支钢板梁桥。木枕由于其弹性好、易加工、运输及安装，有较好的绝缘性能等优点，一直以来在铁路钢桥上占据着重要的位置，同时，木枕的合理选材和安全检算也是保障铁路钢桥使用寿命和铁路运营期安全的重要前提。笔者就曾参建的安哥拉铁路恢复改造I期项目为例，对Km2+785铁路明桥面木枕进行简要的荷载及应力分析。

安哥拉铁路恢复改造工程I期开工于2003年10月，该项目为安哥拉战后中安政府合作框架下的第一个铁路项目，监理公司为国际知名的Dar Al-Handasah，对铁路的安全和质量非常重视。

本次研究的钢桥中心里程为K2+785，该桥是为了跨越既有公路而设，公路与线路斜交角11度（法向角），本桥位于R=600m的曲线上，桥面纵坡自±2%至-1.5%，梁跨采用11-21m上承式双主梁的板梁，，单孔梁的全长为20.9m，梁高1.25m，主梁中心距1.8m，支座中心至梁端0.3m。

一、 计算基本资料

（1） 计算荷载

桥梁设计荷载采用BS5400规定的RU铁路标准荷载的80%，集中荷载200kN，分布荷载64kN/m。钢轨及护轨皆采用50kg/m，轨距1067mm，设计行车速度Vmax=80km/h，客车转向架轮距2200mm。

（2） 枕木尺寸及材质

枕木全长3m，截面采用宽×高=20cm×25cm，桥枕材料为云南松，属于中国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）表2.1.9列出的A-3类，弹性模量取为9000MPa。

（5） 材料容许应力

根据中国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）表2.1.9，A-3类的木枕材料容许顺纹弯应力为12.0MPa，容许顺纹剪应力为1.9MPa。

二、 计算分析思路

笔者参考了中国《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005）第3.3.9条条文说明：作用于木枕上的荷载，按弹性支承连续梁分配，木枕尺寸按支承于主梁或纵梁上的简支梁计算。基于此，本次木枕安全检算的基本思路如下：

（1） 计算作用在单根木枕上的荷载

拟采用两种方法计算作用在单根木枕上的荷载，以资比较。第一种方法为采用有限元分析软件MIDAS建立全桥的空间仿真计算模型，通过最不利加载，获得单根木枕承担的最不利荷载。第二种方法按参考文献[1]给出的中国原铁道部定型设计事务所提供的方法。通过以上两种方法得出的最合理和接近的结果，作为验算木枕应力和变形的基础数据。

三、 单根木枕承担的荷载计算

3.1 采用大型有限元分析软件建立全桥的空间仿真分析

采用大型有限元分析软件MIDAS建立包括两跨钢板梁、枕木和轨道的全桥空间仿真计算模型（图2-1），钢板梁、横联、枕木和轨道均采用梁单元模拟。

在列车荷载作用下，主要考虑两种情况，一种情况为钢轨在钢板梁端部断开，钢轨不跨越两孔钢板梁；另一种情况为钢轨在钢板梁端部保持连续，钢轨跨越两孔钢板梁。计算分析情况如下：

a） 钢轨在钢板梁端部断开的情况下：钢板梁端部木枕出现最大剪力，数值为94.8KN，则单根木枕承受的最不利轮压荷载为94.8KN。

b） 钢轨在钢板梁端部连续的情况下：钢板梁端部木枕出现最大剪力，数值为46.0 kN，则单根木枕承受的最不利轮压荷载为46.0KN。

3.2 采用中国原铁道部定型设计事务所的方法分析

根据参考文献[1]给出的中国铁道部定型设计事务所提供的计算桥枕受力分配的方法，各桥枕受力如下：

根据基本资料可得出：

P=100kN，a=0.35m，En=9000MPa，Jn=0.00026m4，Ep=2.1×105MPa，Jp=0.00001472m4，l=1.8m，c=0.3315

将上述数值导入公式可得出k=0.0726，0.056

=0.3123

考虑动荷载冲击系数为 ，计算得到单根枕木承受的最不利轮压荷载为：

=42.5KN

3.3 结论

根据以上两种方式进行受力分析，可发现得出的计算结果非常接近，考虑到全桥仿真计算考虑的因素比铁道部定型设计事务所提供的方法更加全面，因此，单根木枕的应力和变形分析将采用全桥仿真计算分析得出的结论。

四、 单根木枕的应力和变形分析

4.1 计算模型

通过大型有限元分析软件ANSYS建立单根枕木的空间计算模型（图3-1），枕木采用块体单元。计算考虑了枕木的自身重量和钢轨重量。枕木所受到最不利荷载通过铁轨垫板以面荷载形式施加。枕木按简支在钢梁上考虑。

4.2 木枕的应力分析结果

4.2.1 顺纹弯应力

经软件分析显示，在单根木枕承受两种最不利轮压荷载的情况下，顺纹弯应力分析结果如下：

a） 木枕承受的轮压为94.8kN，最大顺纹弯曲拉应力为3.54MPa，出现在枕木与钢梁接触处的枕木上侧；最大顺纹弯曲压应力为8.98MPa，出现在枕木与钢梁接触处的枕木下侧，均小于容许顺纹弯应力12.0MPa。钢轨在钢梁端部断开的情况下，顺纹弯应力满足规范要求；

b） 木枕承受的轮压为46.0kN，最大顺纹弯曲拉应力为1.72MPa，出现在枕木与钢梁接触处的枕木上侧；最大顺纹弯曲压应力为4.38MPa，出现在枕木与钢梁接触处的枕木下侧，均小于容许顺纹弯应力12.0MPa；钢轨在钢梁端部连续的情况下，顺纹弯应力满足规范要求；。

4.2.2 弯曲剪应力

经软件分析显示，在单根木枕承受两种最不利轮压荷载的情况下，弯曲剪应力分析结果如下：

a） 木枕承受的轮压为94.8kN时，最大弯曲剪应力为4.05MPa，出现在枕木与钢梁接触面内侧，大于容许弯曲剪应力1.9MPa。钢轨在钢梁端部断开的情况下，弯曲剪应力不满足规范要求；

b） 木枕承受的轮压为46.0kN时，最大弯曲剪应力为1.97MPa，出现在枕木与钢梁接触面内侧，大于容许弯曲剪应力1.9MPa，但不超过容许值的5%。钢轨在钢梁端部连续的情况下，弯曲剪应力满足规范要求；

4.3 木枕的变形分析结果

经软件分析结果显示，在单根木枕承受两种最不利轮压荷载的情况下，最大挠度如下：

a） 木枕承受的轮压为94.8kN时，最大挠度为0.361mm，出现在枕木跨中；

b） 木枕承受的轮压为46.0kN时，最大挠度为0.176mm，同样出现在枕木跨中。

4.4 分析结论

钢轨在钢梁端部断开的情况下，木枕承受的轮压为94.8kN时，最大弯曲剪应力为4.05MPa，大于容许弯曲剪应力1.9MPa，因此，不满足规范要求；

结论及措施

本次分析采用大型有限元分析软件MIDAS和ANSYS，结合中国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）和《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1-2005），对安哥拉铁路I期项目K2+785桥梁明桥面木枕进行了检算分析，钢轨在钢梁端部连续的情况下，所有分析结果满足规范要求。钢轨在钢梁端部断开的情况下，木枕承受荷载较大，承受的轮压是钢轨在梁端连续情况下的2.1倍，并且木枕的弯曲剪应力不满足规范要求。因此，在轨道铺设时，需详细进行轨料布设计算，使钢轨在钢梁两端保持连续；同时，木枕和钢梁间不采用钩螺栓连接，可更换为跟更为可靠的长螺栓连接，并在螺母和螺帽下设置铁垫板。通过上述分析和措施的采用，在实际施工中保障了钢桥的使用寿命，也解决了潜在的行车安全隐患。

参考文献

[1] 涂光钧，关于明桥面桥枕受力分配的计算，铁道建筑，1990（12）

[2] 铁路工程设计技术手册，桥梁设计通用资料，中国铁道出版社，1994

[3] 公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ 025-86），人民交通出版社，1988

[4] 铁路桥涵设计基本规范 （TB 10002.1-2005），中国铁道出版社，2005

[5] 铁路工务技术手册，桥涵，中国铁道出版社，1996

[6] 李富文、伏魁先、刘学信，钢桥，中国铁道出版社，1996

[7] 强士中，桥梁工程，高等教育出版社，2004