既有線鋼桁梁橋加固技術(shù)研究

文勇

(重慶市設(shè)計(jì)院 重慶 400015)

隨著客貨運(yùn)強(qiáng)度的增加、列車速度的提高,部分鋼桁梁橋運(yùn)營情況不佳,既有線橋梁橫向剛度不足的問題日益突出,其中包括鋼桁梁橋橫向振幅嚴(yán)重超限,危及鐵路行車安全,部分橋梁被迫限速,這樣嚴(yán)重制約了鐵路運(yùn)輸能力的進(jìn)一步提高。

國內(nèi)學(xué)者在如何加固鐵路鋼橋橫向剛度上做了很多研究,夏禾[1]、顧萍[2]、郭文華[3]、蘇木標(biāo)[4]等先后研究了鋼板梁橋橫向振動機(jī)理及加固技術(shù),采用加強(qiáng)上下平縱聯(lián)、增設(shè)第二平聯(lián)、上下行兩橋連接、安裝阻尼器等方法加固,均取得了較好的效果。顧建新[5]、顧萍[6]等研究了既有線鋼桁梁的橫向剛度加固技術(shù),認(rèn)為影響既有線鋼桁梁橫向振幅的主要因素是橋梁橫向剛度,加強(qiáng)兩片主桁間的平縱聯(lián)連接,加大主桁上、下弦桿橫截面等均能有效提高鋼桁梁的橫向剛度,減小橫向振幅。

本文運(yùn)用列車—橋梁系統(tǒng)耦合振動分析理論和MIDAS通用有限元計(jì)算軟件,采用空間桿系模型確定42m上承式鋼桁梁的自振特性,然后再對該橋在空重混編貨物列車、高速列車作用下的車橋耦合振動響應(yīng)進(jìn)行仿真分析,并結(jié)合上承式鋼桁梁橋的構(gòu)造,提出了切實(shí)合理的加固方案。

1 42m上承式鋼桁梁概況

該栓焊上承式鋼桁梁計(jì)算跨度42m,主桁中心距3.5m,梁高4.64m,節(jié)間為4.2m,每節(jié)間設(shè)置一個(gè)橫聯(lián),橫聯(lián)截面尺寸為L100×100×10mm。主桁桿件寬度為420mm,主桁桿件均采用焊接H型。聯(lián)結(jié)系為上下平縱聯(lián),采用交叉型,焊接T型斷面,翼板180×10mm,腹板為150×10mm。橋面系采用縱橫梁,采用焊接I形對稱截面,縱梁高540mm,縱梁中心距2m。

某大修設(shè)計(jì)所在測試其鋼梁橫向振幅過程中,發(fā)現(xiàn)該42m跨度的栓焊上承式鋼桁梁橫向振幅普遍超過《橋檢規(guī)》[7]安全限值（6.32mm）,已嚴(yán)重威脅行車安全。

2 加固方案研究

2.1 加固方案理論分析

橋梁的振動是由橋上運(yùn)行列車引起的外激振動,其振動響應(yīng)的大小與外界激勵(lì)的大小和橋梁本身抵抗變形的能力即橋梁的剛度有關(guān)。車橋系統(tǒng)橫向振動在橋梁上的直接反映為梁的橫向振幅和振動頻率。根據(jù)車橋系統(tǒng)振動理論,列車、橋梁和墩臺是相互作用和相互制約的關(guān)系。實(shí)測數(shù)據(jù)和理論分析又表明：普通橋墩(非嚴(yán)重病害墩或非橫向大柔性墩)的振動對橋梁的振動影響較小[8]。因此可以認(rèn)為,在某種特定列車作用下,車橋振動響應(yīng)主要取決于橋梁狀態(tài)。當(dāng)橋梁橫向振動加劇時(shí),橋上機(jī)車車輛的響應(yīng),如橫向加速度、脫軌系數(shù)、搖擺力、輪壓減載率等將隨之增大,而且旅客乘坐舒適度、列車運(yùn)行平穩(wěn)度亦隨之下降。

鋼桁梁橋是由兩片主桁、上下平縱聯(lián)、橫向聯(lián)結(jié)系組成的空間體系。在橫橋向主要是由主桁弦桿和平縱聯(lián)及橫向聯(lián)結(jié)系組成的格構(gòu)體系。與實(shí)腹結(jié)構(gòu)相比,格構(gòu)式體系綴材遠(yuǎn)不如實(shí)體腹板剛勁,橫向彎曲時(shí)剪力引起的變形較大,因而橫向剛度較低。為了提高鋼桁梁的橫向剛度,改善鋼桁梁橋的橫向動力特性,對既有線橋梁在不中斷行車的前提下,較為有效的措施是提高橋梁橫向抗彎剛度和抗扭剛度。

2.2 加固方法

對于鋼桁梁橋,基本加固方法可從以下兩種入手：通過增加或改變主桁的配置來加強(qiáng)橋梁或加強(qiáng)聯(lián)結(jié)系來達(dá)到加固效果。針對上承式鋼桁梁橋的具體特點(diǎn),考慮到不中斷行車的要求,常用的加固方法主要由上下平縱聯(lián)加固、橫向聯(lián)結(jié)系加固及加強(qiáng)上下弦桿等三個(gè)方面組成。另外,還可采用諸如施加體外預(yù)應(yīng)力、對人行道進(jìn)行改造加寬等技術(shù)措施。根據(jù)上述加固方法,本橋共考慮了14種加固方案,表1中列出了加固方案的具體情況。

表1 各加固方案

3 計(jì)算模型

3.1 橋梁計(jì)算模型

對于鋼桁梁橋,橋梁計(jì)算模型采用空間有限元法,每根桿件均按空間梁單元進(jìn)行模擬,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有3個(gè)線位移和3個(gè)轉(zhuǎn)動位移共6個(gè)自由度,二期恒載作為均布質(zhì)量分配到橋面上。圖1給出了有限元分析模型。

3.2 車輛計(jì)算模型

分析車輛按照客貨列車分為兩組：貨物列車編組為1節(jié)DF4機(jī)車+5節(jié)C62重車+5節(jié)C62空車+5節(jié)C62重車+5節(jié)C62空車；旅客列車采用200 km/h動力集中型電動車組1動+5拖,其中拖車為PW-200轉(zhuǎn)向架的雙層客車。在車輛的計(jì)算模型中,每節(jié)車輛都視為由車體、轉(zhuǎn)向架和輪對通過線性彈簧和阻尼器連接起來的多自由度振動系統(tǒng),不考慮振動過程中車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對的彈性變形；車體和轉(zhuǎn)向架各有5個(gè)自由度,即橫擺、側(cè)滾、搖頭、沉浮和點(diǎn)頭；每個(gè)輪對均有橫擺、搖頭兩處自由度。這樣,對于二系懸掛的6軸機(jī)車和4軸客車,每節(jié)車的計(jì)算自由度分別為27和23。典型的四軸客車計(jì)算模型如圖2,車輛的運(yùn)動方程可由D’Alembert’s原理得到,文獻(xiàn)[9]列出了具體表達(dá)式。

4 計(jì)算分析結(jié)果

4.1 各加固方案自振頻率計(jì)算結(jié)果

橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性是結(jié)構(gòu)動力性能的綜合反映,表2給出了各方案的自振頻率基值。計(jì)算分析表明：上、下平聯(lián)均加強(qiáng)優(yōu)于只加強(qiáng)上平聯(lián)或下平聯(lián),部分加強(qiáng)平聯(lián)和全部加強(qiáng)平聯(lián)效果差別不明顯；部分加強(qiáng)橫向聯(lián)結(jié)系和全部均加強(qiáng)的差別也不大。增強(qiáng)弦桿剛度的能提高梁的橫向剛度。施加體外預(yù)應(yīng)力通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力來加強(qiáng)2片主桁之間的聯(lián)系從而增大橋梁整體剛度,但本橋加固效果不理想。方案4、方案5、方案6、方案13和方案14的加固效果都較好,橫向自振基頻提高了14%～22%。

4.2 典型加固方案車橋耦合分析

分別對原結(jié)構(gòu)和前述幾種較好的加固方案采用BDAP進(jìn)行車橋—耦合振動仿真分析,圖3給出了原結(jié)構(gòu)和加固后的跨中典型振幅里程曲線。顯然,加固后跨中的橫向振幅大幅度降低。

采用在整個(gè)行車速度范圍內(nèi)各響應(yīng)值的最大值作為評價(jià)指標(biāo)來比較各加固方案的優(yōu)劣。表3列出了各加固方案在計(jì)算速度范圍內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)的最大值。計(jì)算分析表明：加固方案4、5、6、13、14的加固效果明顯,各項(xiàng)車橋橫向振動響應(yīng)均明顯降低,方案13的加固效果最明顯。

表3 各典型加固方案車橋響應(yīng)值

加固方案13在C62空重混編貨物列車以速度50～80km/h作用下,車輛橫向Sperling舒適性指標(biāo)最大值為3.94,達(dá)到“良好”,車輛脫軌系數(shù)和輪重減載率均達(dá)到“優(yōu)良”；橋梁的跨中最大橫向振幅小于《橋檢規(guī)》的行車安全限值要求；橋梁跨中上弦橫向振動加速度最大值達(dá)0.97m/s2,小于《橋檢規(guī)》限值要求的1.40m/s2。

5 結(jié)論

（1）方案13是理想的加固方案,通過加強(qiáng)橫向聯(lián)結(jié)系、上、下平聯(lián)和弦桿,橋梁的橫向振動性能得到了明顯的改善。

（2）加固后,橋梁的橫向和扭轉(zhuǎn)一階自振頻率得到明顯提高。

（3）加固后,跨中最大橫向振幅、最大橫向加速度在貨車80 km·h-1、客車200km·h-1作用下均小于《橋檢規(guī)》的行車安全限值要求,表明所采用的加固方案可有效提高桁梁的橫向剛度。列車的脫軌系數(shù)和輪重減載率達(dá)到 《鐵道機(jī)車動力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》(TB/T2360-93)所規(guī)定的“優(yōu)良”,車輛橫向Sperling舒適性指標(biāo)達(dá)到“良好”。由此表明：行車安全性和舒適性均能得到保證。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁檢定規(guī)范[S],2004.

[2]H Xia,De Roeck G,H R Zhang,et a.l Dynamic analysis of trin-bridge system and its application in steel girder reinforcement[J].Computers&Structures,2001,79(20):1851-1860.

[3]顧萍,顧建新,吳定俊.下承式鋼板梁橋橫向剛度加固研究[J].中國鐵道科學(xué),2005,26(1):54-57.

[4]郭文華,曾慶元.上承式鋼板梁空間振動計(jì)算與加固技術(shù)研究[J].中國鐵道科學(xué),2002,23(5):82-88.

[5]蘇木標(biāo),李建中,梁志廣.MTMD抑制鐵路上承鋼板梁橫向振動試驗(yàn)研究[J].振動與沖擊,2000,19(1):19-23.

[6]顧建新,夏煒,徐利軍,等.既有線鋼桁梁橋橫向剛度加固技術(shù)[J].中國鐵道科學(xué),2005,26(5):12-16.

[7]顧萍,王淼,吳定俊.TMD抑制既有鐵路鋼桁梁橋橫向振動研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2005,27(2),85-89.

[8]劉守龍.提高橋梁橫向剛度的措施和效果 [J].鐵道建筑,2000,(11)：8-10.

[9]李小珍.高速鐵路列車－橋梁系統(tǒng)耦合振動理論及應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué),2000.

[10]TB/T2360-93,鐵道機(jī)車動力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)[S].