首页注释：本案例讲述铁路跨线灯桥安全性及加固措施仿真模拟，来自于某铁路货运站跨线实际工程，本案例旨在为提高学生仿真分析能力，仅为教学所用。本案例涉及到的知识点主要包括灯桥设计图纸安全性及加固方案计算。作者：闫磊，桥梁与隧道工程专业，工学博士（博士后在读），副教授，在数值模拟方法研究领域具有一定的造诣，主要从事大型复杂结构振动控制及结构检测、鉴定、加固设计等方面的研究工作，主持完成了40余座大中型桥梁结构的仿真分析，为大量工程结构的顺利施工提供了理论基础。工作单位：学院。    

摘要：仿真技术可以为施工的顺利开展提供理论基础，如何使学生掌握计算机仿真技术在钢箱梁架设过程中的应用是本案例的主要目的。本案例以铁路跨线灯桥为例，对仿真分析在结构加固领域的应用进行了讲授，使学生深刻了解仿真分析方法的快速性、时效性及广泛性，组织学生进行其他类似案例的练习，进而掌握该方法，以期为学生今后解决铁路跨线工程问题提供思路。本案例的分析与讨论，可为仿真分析领域的教学设计提供有价值的思考路径与实施策略。  

关键词：仿真技术；灯桥；加固    

引言：本案例来自于山东省莱芜市某铁路货运站点的实际工程。近年来数值模拟技术在土木工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。将数值模拟技术应用于铁路跨线工程的安全性及加固措施模拟，可以使学生掌握工程软件在拱桥施工领域的应用，对提升学生工程软件应用能力方面具有重要的指导意义。  

背景介绍：    

仿真分析案例位于山东省莱芜市某铁路货运站点，灯桥是指在铁路场站或车站内横跨股道的桁梁上安装有投光灯等照明设备的门形构建筑物。灯桥由灯柱及主梁组成，灯桥主要材料包括角钢、钢板等。本案例灯桥长60m，主跨54m，左右侧各悬臂3m，灯柱高15.3m。  

内容：    

一、结构特点    

灯桥主梁均采用标准节段组成，梁的节间尺寸为3m，梁高1.5m，梁上部设置有1.1m高栏杆；标准梁主要材料为：主肢为角钢L75×8，横梁端腹杆L100×8，横梁端竖杆、腹杆L63×5，横梁竖杆、腹杆L50×5。立柱主肢均为L140×10，立柱横撑1为L63×5，立柱横撑2为L75×6，立柱顶板采用1600×1100×12钢板。钢材均采用Q235B钢材。灯桥结构布置如下图1-图3所示。  

   

图1东侧灯桥立面图    

   

   

图2灯柱立面图    

               

   

图3节点详图    

二、计算依据及计算参数    

（一）计算依据    

1.灯桥施工图  

2.《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2-2005)  

3.《钢结构设计规范》(GB50017-2003)  

4.《建筑施工安全检查标准》（JGJ59-2011）  

5.《施工现场机械设备检查技术规程》（JGJ160-2008）  

6.《建筑施工现场环境与卫生标准》(JGJ146-2004)  

7.《施工现场临时用电安全技术规程》(JGJ46-2005)  

8.《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)  

9.《工程测量规范》(GB50026－2007)  

10.《钢结构施工质量验收规范》(GB50205-2002)  

11.《钢结构焊接规范》(GB50661-2011)  

12.《钢结构施工规范》(GB50755-2012)  

13.《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)  

14.《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》(GB/T8110－2008)  

15.《低合金钢埋弧焊用焊剂》(GB/T12470－2003)  

16.《焊缝无损检测超声检测技术、评定等级和评定》(GB11345－2013)  

17.《金属熔化焊焊接接头射线照相》(GB/T3323-2005)  

18.《无损检测焊缝磁粉检测》(JB/T6061-2007)  

19.其他相关资料  

（二）计算参数    

1.钢材自重：78.5kN/m³；  

2.钢材材质：Q235B；  

3.设计应力：弯曲应力设计值 [215]MPa；轴向应力设计值 [215]MPa；剪切应力设计值 [125]MPa。  

4.垂直荷载：300kg/m；风荷载：400Pa、700Pa。  

三、原灯桥结构计算分析    

（一）原灯桥计算模型的建立    

采用大型通用有限元计算程序midas/civil 2012建立灯桥在垂直荷载、配重、风荷载预拉力等荷载作用下的计算模型，如图4所示。  

   

图4 原灯桥结构    

（二）原灯桥结构计算结果    

1.标准组合下原灯桥支反力计算  

标准组合下原灯桥支反力计算结果如下图5所示。  

由上图可知，标准组合下灯桥左侧及右侧灯柱底部存在较大负反力，最大值为-54.9kN，因此原灯柱的基础的抗拔力要求较高，在实际设计施工过程中应严格保证灯柱与基础可靠连接同时保证基础的抗拔力满足抗拔需求。   

2.标准组合下原灯桥位移计算  

标准组合下原灯桥位移计算结果如下图6-图8所示。  

   

图6 标准组合下原灯桥竖向位移（单位：mm）    

   

图7 标准组合下原灯桥横向位移（单位：mm）    

   

图8 标准组合下灯桥纵向位移（单位：mm）    

由上图可知，标准组合下灯桥最大竖向位移为-315.8mm，最大横向位移为536.3mm，最大纵向位移为18.41mm，因此灯桥竖向、横向刚度较弱，不满足相关规范竖向L/400、横向L/200的位移要求。  

3.标准组合下原灯桥应力计算  

标准组合下原灯桥应力计算结果如下图9-图11所示。  

   

   

图9标准组合下灯桥最大弯曲应力（单位：MPa）    

   

图10 标准组合下灯桥最大剪切应力（单位：MPa）    

   

图11标准组合下灯桥最大轴向应力（单位：MPa）    

由图可知，标准组合下灯桥最大弯曲应力为1018.84MPa，大于Q235B钢材的弯曲应力设计值215MPa；最大剪切应力为34.33 MPa，小于Q235B钢材的剪切应力设计值125MPa；最大轴向应力为200.59 MPa，小于Q235B钢材的轴向应力设计值215MPa；  

因此，灯桥在标准组合作用下，最大弯曲应力超过Q235B钢材的强度设计值且轴向应力已接近设计值，因此强度不满足要求。  

4.标准组合下原灯桥一阶屈曲模态计算  

标准组合下原灯桥应力计算结果如下图12所示。  

   

图12 标准组合下原灯桥一阶屈曲模态（稳定系数：1.47）    

由上图可知，标准组合下原灯桥结构的一阶屈曲稳定系数为1.47，小于经验系数4.0，则灯桥整体稳定性不满足要求。  

四、加固后灯桥计算结果    

对原结构采用大型通用有限元软件建模计算，发现在标准组合下梁体竖向、横向刚度不足，底面连接杆应力局部超出Q235钢材屈服应力，需对梁体竖向及横向刚度进行加强，另外结构一阶屈曲稳定系数不满足经验值。因而建议对原结构进行加固。  

1.梁体加强：将梁体主肢截面全部替换为2L90×7角钢；横梁每一节段V字形处增加竖向及横向连接杆件L90×7角钢，并将原竖向及横向杆件更换为L75×8角钢；  

2.在灯柱与梁体之间增加4根槽钢作为斜向支撑以减小计算跨径，槽钢选用C 25a。  

（一）加固后灯桥计算模型的建立    

采用有限元计算程序midas/civil 2012建立灯桥在垂直荷载、配重、风荷载预拉力等荷载作用下的计算模型，如图13-图14所示。  

   

（二）加固灯桥计算结果    

1.标准组合下加固后灯桥支反力计算   

标准组合下加固后灯桥支反力计算结果如下图15所示。  

由上图可知，标准组合下灯桥左侧及右侧灯柱底部虽然负反力范围有所减小，但值仍较大，最大值为-296.1kN，故实际设计中对灯柱基础的抗拔力要求较高，在施工过程中需严格控制。   

2.标准组合下加固后灯桥位移计算  

标准组合下加固后灯桥位移计算结果如下图16-图18所示。  

   

图16标准组合下加固后灯桥竖向位移（单位：mm）    

   

图17标准组合下加固后灯桥横向位移（单位：mm）    

   

图18标准组合下加固后灯桥纵向位移（单位：mm）    

由上图可知，标准组合下灯桥最大竖向位移为-97.73mm，最大横向位移为97.26mm，最大纵向位移为26.11mm。相比加固前灯桥竖向、横向位移降低明显，满足相关规范竖向L/400、横向L/200的位移要求，故加固效果显著。  

3.标准组合下加固后灯桥应力计算  

标准组合下加固后灯桥应力计算结果如下图19-21所示。  

   

图19标准组合下加固后灯桥最大弯曲应力（单位：MPa）    

   

图20标准组合下加固后灯桥最大剪切应力（单位：MPa）    

   

图21标准组合下加固后灯桥最大轴向应力（单位：MPa）    

由图可知，标准组合下灯桥最大弯曲应力为198.39MPa，小于Q235B钢材的弯曲应力设计值215MPa；最大剪切应力为14.11 MPa，小于Q235B钢材的剪切应力设计值125Mpa；最大轴向应力为131.71 Mpa，小于Q235B钢材的轴向应力设计值215Mpa。  

因此，加固后灯桥在标准组合作用下，最大弯曲应力小于Q235B钢材的强度设计值，故加固后强度满足要求。  

4.标准组合下加固后灯桥一阶屈曲模态计算  

标准组合下加固后灯桥支反力计算结果如下图22所示。  

   

图22标准组合下灯桥一阶屈曲模态（稳定系数：4.26）    

由上图可知，标准组合下加固后灯桥结构的一阶屈曲稳定系数为4.26，大于经验系数4.0，则加固后灯桥整体稳定性满足要求。  

五、结论及建议    

（一）结论    

1.原灯桥结构  

（1）标准组合下灯桥左侧及右侧灯柱底部存在较大负反力，最大值为-54.9kN，故灯柱基础抗拔力要求较高，在实际设计施工过程中需严格控制。  

（2）标准组合下原灯桥结构最大竖向位移为-315.8mm，最大横向位移为536.3mm，最大纵向位移为18.41mm，灯桥竖向、横向刚度较弱，不满足现行相关规范竖向L/400、横向L/200的位移要求。  

（3）标准组合下原灯桥结构最大弯曲应力为1018.84MPa，大于Q235B钢材的弯曲应力设计值215MPa；最大剪切应力为34.33 MPa，小于Q235B钢材的剪切应力设计值125MPa；最大轴向应力为200.59 MPa，小于Q235B钢材的轴向应力设计值215MPa。故灯桥在标准组合作用下，最大弯曲应力超过Q235B钢材的强度设计值，故强度不满足现行相关规范要求。  

（4）标准组合下原灯桥结构的一阶屈曲稳定系数为1.47，小于经验系数4.0，因此灯桥整体稳定性不满足要求。  

2.加固后灯桥结构  

（1）由上图可知，标准组合下灯桥左侧及右侧灯柱底部虽然负反力范围有所减小，但仍较大，值均为-296.1kN，故实际设计中对灯柱基础的抗拔力要求较高，在施工过程中需严格控制。    

（2）标准组合下灯桥最大竖向位移为-97.73mm，最大横向位移为86.04mm，最大纵向位移为26.11mm。相比加固前灯桥竖向、横向位移降低明显，满足相关规范竖向L/400、横向L/200的位移要求，故加固效果显著。  

（3）标准组合下灯桥最大弯曲应力为198.39MPa，小于Q235B钢材的弯曲应力设计值215MPa；最大剪切应力为14.11 MPa，小于Q235B钢材的剪切应力设计值125MPa；最大轴向应力为131.71 MPa，小于Q235B钢材的轴向应力设计值215MPa。  

（4）标准组合下加固后灯桥的一阶屈曲稳定系数为4.26，大于经验系数4.0，因此加固后灯桥整体稳定性满足要求。  

（二）建议    

.经计算对灯桥提出如下加固建议：  

1.建议将梁体主肢截面全部替换为2L90×7角钢；横梁每一节段V字形处增加竖向及横向连接杆件L90×7角钢，并将原竖向及横向杆件更换为L75×8角钢。  

2.在灯柱与梁体之间增加4根槽钢作为斜向支撑以减小计算跨径，槽钢选用C 25a。槽钢加固示意如下图23所示。  

3.由于计算过程中发现灯桥基础具有较大负反力，因此基础的抗拔稳定性需在施工过程中严格控制。建议首先要保证灯柱与基础底部具有可靠的连接；其次，在可靠连接的前提下建议在原有基础上进行增大截面或者设置斜支撑以增强基础的抗拔性能。基础加固示意图如下所示。斜支撑形式如下图24-图25所示。  

     

铁路跨线固定灯桥安全性及加固措施仿真分析案例    

教学指导手册    

教学目的与用途：    

1.本案例适用于全日制土木水利工程类硕士专业结构工程方向研究生的方向选修课程《工程软件及应用》。在工程软件课程中，桥梁结构架桥机及箱梁支架是常见的仿真计算对象之一，在施工过程中是必不可少的环节。  

2.通过此教学案例，使研究生仿真分析软件Midas应用于铁路跨线固定灯桥安全性及加固措施仿真分析过程中，使学生进一步了解工程软件在钢箱梁施工过程中的应用。  

3.通过案例讲解使学生对固定灯桥安全性及加固措施验算过程等有深入地了解，进而掌握工程软件在该领域的应用，为学生今后进行科学研究及从事工程建造提供理论支撑和实践经验。  

教学内容：    

1.涉及知识点  

（1）图纸的识读；  

（2）结构计算模型的简化；  

（3）单元的建立；  

（4）荷载的施加；  

（5）计算结果的校核；  

（6）加固方案的实施。  

2.理论依据及分析思路  

（1）理论依据  

灯桥结构在设计过程中要保证其强度、刚度及稳定性，需要材料的设计强度不超过需用应力，结构的变形不超过规范的允许限值，结构的稳定性等也要符合相关规范的要求。主要涉及到的相关内容有：  

①设计文件；  

②相关建设规范；  

（2）分析思路  

本案例特点明显，主要体现在：本仿真计算是铁路跨线固定灯桥安全性验算过程中必备的基本知识，要求我们从结构力学基本原理出发，结合有限元分析，开展仿真分析。本案例结合自身特点，按照灯桥支反力、位移、应力及加固效果等流程来进行分析与讲解。  

启发思考题：    

1.灯桥在验算过程中仅考虑灯桥位移或者应力满足要求，是否达到验算的目的，请同学们思考。  

2.灯桥加固措施的选择以什么为准则，请同学们思考。  

建议课堂计划：    

时间安排：根据教学需要，整个案例课的课堂时间控制在8学时，以便比较充分地了解案例所涉及的知识点，以下是根据课程时间进度安排的课堂学习计划。  

课前计划：发放案例材料，提出课后思考题，请学生在课前完成阅读和初步思考。  

课中计划：课堂前言，明确该案例主题（20分钟）；案例讲述，案例总体介绍，引导学生分析和认真学习该案例的理论知识点，并提出思考题（120分钟）；分组讨论（20分钟）；小组发言（20分钟一个小组，4组）；案例总结：包括案例中的关键知识点，以及如何运用理论知识去分析和解决实际问题（30分钟）。  

课后计划：通过案例分析和总结，使学生掌握施工监控相关知识，然后布置相关作业，以论文或者报告形式写出案例分析，并对难点和易错点可以进一步研究。  

参考文献：    

1.葛俊颖. 桥梁工程软件midas Civil使用指南[M]. 2013.  

2.钟宏林. MIDAS CIVIL桥梁工程实例精解(土木工程软件应用系列)(附光盘)[M]. 2014.  

3.蒋玉川.MIDAS在结构计算中的应用[M].2012.  

4.孙训方, 方孝淑, 关来泰. 材料力学[M],（第6版）,（上册）[M]. 2019.  

5.龙驭球, 包世华合. 结构力学.上册[M]. 1979.  

6.范立础. 桥梁工程（上、下）册，北京：人民交通出版社，1993.  

7.范立础. 桥梁工程（上、下）册，北京：人民交通出版社，1993.  

8.高其中. 灯桥管桩基础的设计与计算[J]. 铁道标准设计(5):44-47.