关键词：铁路；双线箱梁；约束；扭转
引言
铁路的双线箱梁拥有抗扭刚度强、形式简洁、受力简单、外形美观以及明确的优点，因此常用与铁路桥梁建设，当双线铁路上运行单线列车，会导致箱梁受到偏心荷载力的作用而发生畸变与扭转，箱梁受到约束扭转所产生的应力影响，需要将其充分地考虑在内，从而确保列车行驶的安全性。通常会采用有限元法与解析法对约束扭转进行计算，使用初参数法对约束扭转进行计算。本文针对铁路双线箱梁的约束扭转效应进行研究，现报道如下。
一、箱梁约束扭转
初参数法是对约束扭转的常用计算方法，将梁端双力矩、梁端翘曲率、梁端扭率以及梁端扭矩以边界条件计算出来，再构建表达式求出扭转内力，寻找到对箱梁界面最不利的扭转应力。在了解箱梁约束扭转时，需要注意约束扭转位移模式、约束扭转正应力以及约束扭转剪应力。
1.约束扭转位移模式
约束扭转是因为双线铁路承受了单线列车行驶所产生的问题，会出现剪应力与翘曲正应力问题，因此对应力使用自由扭转轴向位移模式进行计算的准确度较低，所以需要在乌曼斯基假定下的约束扭转翘曲位移模式进行计算。
2.约束扭转正应力
平衡的弯矩与轴力在箱梁截面翘曲位移中可以帮助约束扭转正应力的计算，计算轴向应力与轴向应变可以通过箱梁截面翘曲位移模式进行计算，再利用平衡的弯矩与轴力和薄壁杆件结构力学计算约束扭转翘曲正应力
3.约束扭转剪应力
箱壁点平衡方程以弹性力学微元平衡方法构建，结合内外力矩平衡条件计算出约束扭转剪应力。
二、箱梁参数对扭转效应的影响分析
1.翘曲比例系数所受到高跨比的影响
在铁路双线箱梁的设计中，高跨比是不可忽视的一个因素。选取箱梁横截面的正应力控制点，对其进行编号为1号点、2号点与3号点。其中悬臂板端部的为1号点，腹板与顶板交点为2号点，腹板与底板交点为3号点，调整高跨比的可以通过调整桥梁跨度进行。通过以0.07、0.09、0.13以及0.15的高跨比，得到了1号点、2号点与3号点的翘曲比例系数的变化情况，具体如下图一所示。
从上图一中可以看出，腹板与底板交点随着高跨比的增加，其翘曲比例系数也逐渐增加，其高跨比与翘曲比例系数成正比；腹板与顶板交点随着高跨比的增加，翘曲比例系数几乎保持不变，但是也有所上升，因此高跨比对翘曲比例系数的影响较小，且影响为正相关；悬臂板端部随着高跨比的增加，其翘曲比例系数绝对值开始逐渐增大，其高跨比与翘曲比例系数成正比。因此可以得到高跨比与翘曲比例系数正相关，因此跨度与弯曲应力正相关，且其翘曲比例系数绝由大到小依次为1号点、2号点与3号点，即悬臂板端部、腹板与顶板交点、腹板与底板交点。因为可以通过调整桥梁跨度对宽跨比进行调整，因此其具有与高跨比相同的翘曲比例系数规则。
2.翘曲比例系数所受到壁厚与高宽比的影响
对梁高进行调整可以实现对高宽比的调整，以改变底板、悬臂板以及顶板的厚度达到对壁厚进行调整的目的，本次实验所选取的的高宽比为0.3、0.6、0.8以及1.0，所选取的壁厚为25厘米、35厘米以及45厘米。翘曲比例系数所受到壁厚与高宽比的影响如下图二所示。
从上图二中可以看出，在相同壁厚的情况下，随着高宽比的增加，翘曲比例系数逐渐下降，因此高宽比与翘曲比例系数成正比；在相同高宽比的情况下，随着厚度的增加，翘曲比例系数也明显降低，因此壁厚与翘曲比例系数成正比，因此为了降低约束扭转翘曲效应可以通过缩小高宽比，即缩小梁高与加厚壁厚实现。
3.翘曲正应力比所受到悬臂板宽的影响
由于悬臂板会对截面约束系数造成不可忽视的误差，因此研究翘曲正应力比所受到悬臂板宽的影响的影响时，不使用1号点，仅使用2号点与3号点。变量为两悬臂板宽之和与顶板宽的比值，得到的翘曲正应力比所受到悬臂板宽的影响如下图三所示。
通过上图三可以看出，不同点位的翘曲正应力随着悬臂板宽的变化的趋势不同，2号点在悬臂板宽为0.5的时候，其翘曲正应力由随着悬臂板宽增加而上升还是变为随着悬臂板宽上升而下降，而3号点则在0.8悬臂板宽之后表现为随着悬臂板宽增加其翘曲正应力上升，再此之前趋势相反。由此可见，腹板与顶板交点以及腹板与底板交点所受到悬臂板宽的影响存在临界点。
4.剪切比例系数所受到壁厚与高宽比的影响
对梁高进行调整可以实现对高宽比的调整，以改变底板、悬臂板以及顶板的厚度达到对壁厚进行调整的目的，本次实验所选取的的高宽比为0.3、0.6、0.8以及1.0，所选取的壁厚为45厘米、55厘米以及65厘米。剪切比例系数所受到壁厚与高宽比的影响如下图三所示。
从上图四中可以看出，在相同壁厚的情况下，随着高宽比的增加，剪切比例系数逐渐下降，因此高宽比与剪切比例系数成正比；在相同高宽比的情况下，随着厚度的增加，剪切比例系数明显升高，因此壁厚与剪切比例系数成反比。
三、结论
通过以上分析，可以得到以下结论。第一，高跨比与翘曲比例系数正相关，因此跨度与弯曲应力正相关，翘曲比例系数绝由大到小依次为悬臂板端部、腹板与顶板交点、腹板与底板交点。宽跨比具有与高跨比相同的翘曲比例系数规则。第二，随着高宽比的增加，翘曲比例系数逐渐下降，因此高宽比与翘曲比例系数成正比；在相同高宽比的情况下，随着厚度的增加，翘曲比例系数也明显降低，因此壁厚与翘曲比例系数成正比，因此为了降低约束扭转翘曲效应可以通过缩小高宽比，即缩小梁高与加厚壁厚实现。第三，腹板与顶板交点以及腹板与底板交点所受到悬臂板宽的影响存在临界点。第四，在相同壁厚的情况下，随着高宽比的增加，剪切比例系数逐渐下降，因此高宽比与剪切比例系数成正比；在相同高宽比的情况下，随着厚度的增加，剪切比例系数明显升高，因此壁厚与剪切比例系数成反比。
四、结束语
初参数法是对约束扭转的常用计算方法，将梁端双力矩、梁端翘曲率、梁端扭率以及梁端扭矩以边界条件计算出来，再构建表达式求出扭转内力，寻找到对箱梁界面最不利的扭转应力。在计算箱梁参数对扭转效应时，会存在诸多的干扰因素，影响对约束扭转效应的分析，为了提升分析的精确度与准确性，从而更好地设计箱梁，保障列车的行驶安全，需要对箱梁参数对扭转效应可能产生的影响进行分析，其中包括翘曲比例系数所受到高跨比的影响、翘曲比例系数所受到壁厚与高宽比的影响、翘曲正应力比所受到悬臂板宽的影响以及剪切比例系数所受到壁厚与高宽比的影响。
参考文献：
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论文作者:张顺平
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年22期
论文发表时间:2019/12/12
标签：系数论文; 应力论文; 比例论文; 悬臂论文; 腹板论文; 高宽比论文; 顶板论文; 《工程管理前沿》2019年22期论文;