铁路波纹钢管涵病害力学响应数值分析.pdf

第 卷第期石家庄铁道大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a lo fS h i j i a z h u a n gT i e d a oU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)S e p 铁路波纹钢管涵病害力学响应数值分析许见超(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 )摘要:为支撑波纹钢管涵在铁路工程中的应用,通过数值计算分析了铁路波纹钢管涵对冻胀、融沉和不均匀沉降病害的力学响应.结果表明,土体整体冻胀对波纹钢管涵受力影响显著,整体冻胀率引起管涵应力增加约 MP a;管涵底部、下部 和侧面位置的局部冻胀均会引起管涵应力的显著增加,局部冻胀率可引起管涵应力增加约 MP a;可见应严格控制涵周土体的冻胀性.通过在涵周设置空陷模拟融沉和不均匀沉降病害,管涵应力对涵底不均匀沉降、融沉不敏感,底部空陷率 时仅引起管涵压应力增加约 MP a;管涵应力对下部 和侧面空陷敏 感,下 部 和 侧 面 空 陷 率 为 时,分 别 引 起 管 涵 压 应 力 增 加 约 MP a和 MP a.关键词:客货共线铁路;涵洞;数值计算;波纹钢;病害中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:责任编辑:车轩玉D O I:/j c n k i s j z t d d x x b z r b 基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(J G )作者简介:许见超(),男,副研究员,研究方向为道路与铁道工程.E m a i l:x u j i a n c h a o b u a a e d u c n许见超铁路波纹钢管涵病害力学响应数值分析J石家庄铁道大学学报(自然科学版),():,波纹钢涵洞在公路工程领域已取得较多研究和应用成果,在铁路工程则相对较少,仅青藏铁路采用了座波纹钢涵洞.近年来新建铁路工程重心逐步转移至高原和西部山区,传统混凝土涵洞在施工质量保证和运营病害应对等方面略显不足,而一般认为波纹钢管涵具有施工简单、运输方便、适应变形能力好等优点,适用于高原、山区、特殊土体等区域的涵洞工程.当前指导波纹钢管涵设计的规范主要有美国AA S HT OL R F DB r i d g eD e s i g nS p e c i f i c a t i o n s(t he d i t i o n )、加拿大C a n a d i a n H i g h w a yB r i d g eD e s i g nC o d e和中国 公路波纹钢涵洞技术规程,指导波纹 钢管涵使用 的手册有美 国钢铁学会 M o d e r nS e w e rD e s i g n(t he d i t i o n )、H a n d b o o ko fS t e e lD r a i n a g eH i g h w a yC o n s t r u c t i o nP r o d u c t s(n de d i t i o n )和美国铁路A R E MAM a n u a l f o rR a i l w a yE n g i n e e r i n g()等.各规范均基于“环向压力理论”,美国规范检算管壁受压强度和屈曲,而加拿大规范和中国C E C S规范则进一步检算塑性铰.近年来,针对波纹钢涵洞的研究主要集中在埋地结构受力分析方法、高填方涵洞减载措施、长期性能监测及腐蚀问题等方面.年,KAT ONA分析了土体本构模型对管涵受力计算结果的影响,结果表明在深埋加载条件下,采用M o h r C o u l o m b本构模型与采用线弹性本构模型的计算结果基本一致.年,冯忠居等对地基涵洞填土共同作用机制下的涵洞减载措施进行了数值模拟研究.年,刘保东等以某连续多跨薄覆土波纹管拱涵为依托,对波纹管涵洞在运营期间的土压力和应力进行了长期监测和分析.年,NAKHO S T I Ne ta l 对受腐蚀和/或土壤侵蚀的波纹钢涵洞的力学性能进行了数值模拟分析.当波纹钢涵洞应用于高原、山区等特殊环境工程时,其在运营过程中受到病害影响的风险较大.而当前尚未有研究成果对波纹钢管涵受病害影响的力学响应进行分析.现通过有限元数值模型,模拟分析整体冻胀、局部冻胀、融沉及不均匀沉降等作用对波纹钢管涵受力的影响.研究结果为波纹钢管涵的设 石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷XYZ图波纹钢管涵有限元数值模型计、施工及运营病害评估提供技术参考.数值模型建立如图所示,采用通用有限元软件建立波纹钢管涵受力分析数值模型.图中波纹钢管内径m,波纹类型为 mm mm,壁厚mm,填土高度m,截取个完整波形.根据A B D E L S AY E De t a l 研究结果,柔性管涵受倍管径以外的土体影响较小,故模型中截取管侧m和底部m土体.约束模型底部三向平动自由度,约束模型侧面法向平动自由度.考虑到柔性管涵在施工过程中对管周回填土体有严格的压实要求,荷载作用下土与管涵之间不会产生明显的相对滑动,故对埋置管涵与周围土体之间的接触方式采用绑定约束进行模拟,该简化已被许多学者应用.土体采用实体单元C D R离散,波纹钢管采用S R壳单元离散,土体与波纹钢管接触局部加密网格.波纹钢管涵在工程应用中管涵自身及周围土体基本处于弹性状态,本文关注波纹钢管涵对病害的力学响应,波纹钢和土体本构均采用弹性模型.数值模型材料参数见表.表数值模型材料参数材料重度/(k Nm)弹性模量/MP a泊松比填土 波纹钢 XYZ图施加列车荷载示意图根据 铁路桥涵设计规范(T B ),客货共线铁路涵洞设计采用Z KH特种荷载.列车荷载经道床传至路基表面,道床厚度按 m计,荷载在道床中的扩散角度正切按 采用,则特种荷载在路基表面的线路方向分布长度为 m.列车荷载在线路横向的分布宽度为 m.动力系数根据 铁路桥涵设计规范按最不利取为.则特种荷载在路基表面的分布集度为 /k N/m.根据 铁路路基设计规范(T B ),道床轨道结构自重荷载集度按 k N/m采用.如图所示,列车荷载施加在涵顶,线路方向分布长度 m.路基土体冻胀作用的影响分别考虑路基土体整体冻胀和局部冻胀作用.整体冻胀会挤压波纹钢管涵,在有限元模型中通过温度作用引入膨胀实现.局部冻胀则对有限元模型局部通过温度作用引入膨胀实现.整体冻胀作用将恒载作用下不同整体冻胀率下的管涵环向应力分布汇总于图.可见在不同冻胀率下,管涵的环向应力分布基本一致;随着冻胀率由、增大至,管涵最大环向压应力由 、MP a增大至 MP a,土体整体冻胀对波纹钢管涵受力影响显著,整体冻胀率可引起管涵应力增加 MP a.第期许见超:铁路波纹钢管涵病害力学响应数值分析(a)冻胀率0%(b)冻胀率0.5%(c)冻胀率1.0%图整体冻胀作用下管涵环向应力分布云图(单位:P a)局部冻胀作用局部冻胀作用分别考虑波纹钢管涵底部(位置)、下部 (位置)和侧面(位置)个位置(见图)发生局部冻胀,局部冻胀土体面积分别取m(冻胀深度m、宽度m)和m(冻胀深度m、宽度m).(a)位置1(b)位置2(c)位置3XYZXYZXYZ图局部冻胀位置管涵最大压应力值/MPa底部冻胀1 m2底部冻胀2 m2下部45冻胀1 m2下部45冻胀2 m2侧面冻胀1 m2侧面冻胀2 m20123456冻胀率/%0-100-200-300-400-500-600-700-800图管涵最大压应力随局部冻胀率变化将计算所得各局部冻胀工况的最大管涵压应力随冻胀率变化情况绘制于图,将管涵应力云图汇总在图.可见,不同位置的局部冻胀均会引起管涵应力的显著增加,局部冻胀率可引起管涵应力增加 MP a.当局部冻胀面积取m时,最大环向应力出现在局部冻胀位置;当局部冻胀面积取m时,最大环向应力邻近局部冻胀位置出现.局部冻胀面积m比m引起更大的环向应力增量.可见波纹钢管涵受力对涵周土体整体冻胀和 石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷局部冻胀均较为敏感,应严格控制涵周土体的冻胀性.(b)底部冻胀2?m2，冻胀率2%(e)侧面冻胀1?m2,冻胀率2%(f)侧面冻胀2?m2,冻胀率2%(c)下部45冻胀1?m2,冻胀率2%(d)下部45冻胀2?m2,冻胀率2%(a)底部冻胀1?m2，冻胀率2%?图局部冻胀管涵应力云图(单位:P a)融沉和不均匀沉降的影响融沉和不均匀沉降会使管涵周边局部产生空陷.通过在管涵周边设置空陷,分析空陷对管涵受力的影响,进而反映融沉和不均匀沉降对管涵受力的影响.空陷分别考虑波纹钢管涵底部(位置)、下部 (位置)和侧面(位置)个位置(见图),涵周空陷范围分别取管涵周长的、和.第期许见超:铁路波纹钢管涵病害力学响应数值分析 XYZXYZXYZ(a)位置1(b)位置2(c)位置3图空陷位置示意管涵最大压应力值/MPa底部空陷下部45空陷侧面空陷-100-150-200-250-300-350-40005101520空陷率/%图管涵最大压应力随空陷率变化将计算所得荷载活载作用下各空陷工况的最大管涵压应力随空陷率的变化情况绘制于图,将管涵应力云图汇总于图.由图可知,管涵应力对底部空陷不敏感,底部空陷率 时仅引起管涵压应力增加 MP a.管涵应力对下部 和侧面空陷敏感,下部 和侧面空陷率为 时,分别引起管涵压应力增加 MP a和 MP a.由图可知,空陷作用会使空陷处及邻近位置的管涵应力增大.(a)底部空陷20%?(b)下部45空陷20%(c)侧面空陷20%图涵周空陷管涵应力云图(单位:P a)石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷一般情况下,融沉和不均匀沉降引起的涵周空陷易出现在涵底,此时对波纹钢管涵受力影响较小.但当空陷出现在靠近涵侧时,对管涵受力影响较大.结论通过数值计算分析了铁路波纹钢管涵的病害力学响应,所得结论如下:()土体整体冻胀对波纹钢管涵受力影响显著,整体冻胀率引起管涵应力增加 MP a;管涵底部、下部 和侧面位置的局部冻胀均会引起管涵应力的显著增加,局部冻胀率可引起管涵应力增加 MP a,可见应严格控制涵周土体的冻胀性.()管涵应力对涵底不均匀沉降、融沉不敏感,底部空陷率 时仅引起管涵压应力增加 MP a.管涵应力对下部 和侧面空陷敏感,下部 和侧面空陷率为 时,分别引起管涵压应力增加 MP a和 MP a.参考文献Am e r i c a nA s s o c i a t i o no fS t a t eH i g h w a ya n dT r a n s p o r t a t i o nO f f i c i a l s AA S HT OL R F Db r i d g ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sS t he d W a s h i n g t o n,D C:s n ,C a n a d i a nS t a n d a r d sA s s o c i a t i o n C a n a d i a nh i g h w a yb r i d g ed e s i g nc o d e:C S AS:S T o r o n t o:s n ,中国工程建设标准化协会公路波纹钢涵洞技术规程:T/C E C SG:D S北京:人民交通出版社,Am e r i c a nI r o na n dS t e e l I n s t i t u t e M o d e r ns e w e rd e s i g nM t he d W a s h i n g t o n,D C:s n ,C o r r u g a t eS t e e lP i p eI n s t i t u t e H a n d b o o ko fs t e e ld r a i n a g eh i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o d u c t sM n de d O n t a r i o:s n ,Am e r i c a nR a i l w a yE n g i n e e r i n ga n d M a i n t e n a n c e o f W a yA s s o c i a t i o n M a n u a lf o rr a i l w a ye n g i n e e r i n gSL a n h a m:s n ,KA T ONA M G I n f l u e n c eo f s o i lm o d e l so ns t r u c t u r a l p e r f o r m a n c eo fb u r i e dc u l v e r t sJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fG e o m e c h a n i c s,():冯忠居,李少杰,郝宇萌,等基于填土涵洞地基共同作用机制的涵洞减载数值模拟研究J公路,():刘保东,刘静波,刘鹏飞,等薄覆土波纹管拱型涵洞长期受力性能研究J公路交通科技,():NAKHO S T I NE,K E NNYS,S I VA THAYA L ANS An u m e r i c a l s t u d yo fe r o s i o nv o i da n dc o r r o s i o ne f f e c t so nt h ep e r f o r m a n c eo fb u r i e dc o r r u g a t e ds t e e l c u l v e r t sJ E n g i n e e r i n gS t r u c t u r e s,():A B D E L S AY E DG,B AKHTB,J A E G E RLG S o i l s t e e l b r i d g e s:d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nM N e wY o r k:M c G r a w H i l l,姚萌萌柔性管涵土结相互作用影响因素研究D北京:北京交通大学,国家铁路局铁路桥涵设计规范:T B S北京:中国铁道出版社,国家铁路局铁路路基设计规范:T B S北京:中国铁道出版社,(下转第 页)石家庄铁道大学学报(自然科学版)第 卷D e s i g no fT r a c kH e a l t hM o n i t o r i n gS y s t e mB a s e do nT R I ZT h e o r yW uJ i a w e n,T o n gJ i a n h a o,W a n gW a n x i a n g,F e n gX i a n k u n,G u oR u i j u n(S c h o o l o fT r a f f i ca n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,D a l i a n ,C h i n a;C R R CS h e n y a n gL o c o m o t i v e&R o l l i n gS t o c kC o L t d,S h e n g y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T r a c kh e a l t hm o n i t o r i n g i so n eo f t h e i m p o r t a n tm e a n sf o rr a i l w a ys y s t e m st oe n s u r et h es a f e t yo f t r a i no p e r a t i o n,m a i n t a i nt h e l o n g t e r ms t a b l eo p e r a t i o no f t r a c ks y s t e m sa n da c h i e v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f r a i l w a yt r a n s p o r t T h i sp a p e rd e s c r i b e da n da n a l y z e dt h ep r o b l e m so f t h ee x i s t i n gt r a c kh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h eT h e o r yo fI n v e n t i v eP r o b l e mS o l v i n g(T R I Z),t r a n s f o r m i n gt h ea c t u a le n g i n e e r i n gp r o b l e m si n t oT R I Zp r o b l e m s,i d e n t i f y i n gt h ep r o b l e m su s i n gt h en i n e s c r e e nm e t h o d,f u n c t i o n a la n a l y s i s,c a u s a lc h a i na n a l y s i sa n dr e s o u r c ea n a l y s i s,t h u sf i n d i n gt e c h n i c a la n dp h y s i c a lc o n t r a d i c t i o n s T h e nc o m b i n i n gs u b s t a n c e f i e l da n a l y s i s,t h er e s e a r c hp r o p o s e dv a r i o u ss o l u t i o n sa n df i n a l l yd e s i g n e das y s t e mt h a t c o u l dm o n i t o r t h et r a c kh e a l t hs t a t u s i nr e a l t i m eb a s e do nv i b r a t i o nr e s p o n s e K e yw o r d s:t r a c k;h e a l t hm o n i t o r i n g;v i b r a t i o nr e s p o n s e;T R I Z;i n n o v a t i v ed e s i g n(上接第 页)N u m 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eo v e r a l l f r o s th e a v i n gr a t e c a u s e s t h e s t r e s so f p i p e c u l v e r t t o i n c r e a s eb ya b o u t MP a T h e l o c a l f r o s th e a v i n ga t t h eb o t t o m,l o w e r a n ds i d eo f t h ep i p e c u l v e r t c a u s e a s i g n i f i c a n t i n c r e a s eo f t h e s t r e s so ft h ep i p ec u l v e r t,w h e r e o ft h el o c a l f r o s th e a v i n gr a t ec a u s ea ni n c r e a s eo fa b o u t MP ao ft h es t r e s so f t h ep i p e c u l v e r t T h e f r o z e n h e a v eo f s o i l a r o u n dc u l v e r t s h o u l db eh i g h l yc o n c e r n e d A f t e r s e t t i n gas o i lg a pa r o u n dt h ec u l v e r tt os i m u l a t et h et h a w i n gs e t t l e m e n ta n du n e v e ns e t t l e m e n t,t h ep i p ec u l v e r t s t r e s s i sn o t s e n s i t i v e t o t h e t h a w i n gs e t t l e m e n t a n du n e v e ns e t t l e m e n t a t t h eb o t t o m,a n dw h e nt h e l e n g t hr a t i oo fb o t t o mg a pt op i p e c u l v e r tp e r i m e t e r i s ,i t o n l yc a u s e s t h e c o m p r e s s i v e s t r e s so ft h ep i p ec u l v e r t t o i n c r e a s eb ya b o u t MP a T h es t r e s so fp i p ec u l v e r t i s s e n s i t i v e t o t h e l o w e r a n ds i d es o i l g a p s Wh e nt h e l e n g t hr a t i oo f t h e l o w e r o r s i d eg a p s t op i p e c u l v e r tp e r i m e t e r i s ,t h ec o m p r e s s i v es t r e s so fp i p ec u l v e r t i n c r e a s e sb ya b o u t MP aa n d MP a,r e s p e c t i v e l y K e yw o r d s:m i x e dp a s s e n g e ra n df r e i g h tr a i l w a y;c u l v e r t;n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n;c o r r u g a t e ds t e e l;e n g i n e e r i n gd i s e a s e s