48 m半穿式鋼梁提速改造設(shè)計(jì)

凌夏青

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 上海 200070)

48 m半穿式鋼梁提速改造設(shè)計(jì)

凌夏青

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 上海 200070)

為了使既有48 m單線半穿式栓焊鋼桁梁滿足提速要求，根據(jù)以往工程實(shí)踐，提出了加固下弦桿、下平縱聯(lián)的改造方案。建立橋梁的多自由度有限元模型，進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，論證改造方案的效果。

48 m半穿式鋼梁 改造 動(dòng)力分析

寧啟鐵路復(fù)線電氣化改造工程(以下簡(jiǎn)稱寧啟)區(qū)間設(shè)計(jì)時(shí)速200 km。而既有寧啟鐵路在2004年通車，全線設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km。既有線鋼梁共計(jì)14處，提速后廢棄9座，位于限速段的3座，位于提速段既有48 m半穿式鋼梁橋共計(jì)2處，分別為跨鹽靖高速大橋，串場(chǎng)河中橋。既有寧啟線通車僅10年，廢棄既有鋼梁橋不但經(jīng)濟(jì)損失大，而且社會(huì)影響大，所以設(shè)計(jì)對(duì)提速段的2座48 m鋼梁進(jìn)行提速改造研究。

圖1 既有48半穿式鋼桁梁

1 橋梁動(dòng)力分析模型

既有48 m半穿式單線簡(jiǎn)支鋼桁梁橋采用圖號(hào)為專橋(01)0101，主桁高度5.5 m，主桁中心距6.0 m，節(jié)間長(zhǎng)度4 m。橋面系采用縱橫梁結(jié)構(gòu)體系，縱梁高度為420 mm，橫梁高度為855 mm。平縱聯(lián)采用三角形，截面為工形，弦桿截面高度為440 mm、寬度為460 mm。鋼梁材質(zhì)為16Mnq鋼(如圖1)。

橋梁采用多自由度有限元模型，以空間梁?jiǎn)卧獮榛締卧驑蚨张_(tái)很矮，故未考慮其影響，支座的約束條件通過約束相應(yīng)的位移來處理。二期恒載采用1.0 t/m，作用于整個(gè)下平聯(lián)平面上，結(jié)構(gòu)自重根據(jù)設(shè)計(jì)圖上提供數(shù)值等效成材料容重。

橋梁結(jié)構(gòu)采用一致剛度矩陣和一致質(zhì)量矩陣，由于精確地決定結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣相當(dāng)困難，因此將實(shí)際結(jié)構(gòu)的阻尼簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)總剛度陣和質(zhì)量陣的線性組合，即

(1)

這種阻尼稱為比例阻尼或振型阻尼。M和K為結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。

采用瑞利阻尼，瑞利阻尼陣C可由式(1)表示，且

(2)

上式中，ω1、ω2、ξ1、ξ2分別為結(jié)構(gòu)的一階二階自振頻率與相應(yīng)的阻尼比。對(duì)鋼橋而言，ξ1、ξ2一般取為1%。有限元模型渲染見圖2。

2 車型、編組及軌道不平順譜選取

2.1 車型及編組

根據(jù)寧啟復(fù)線提速改造設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合全路主力車型，選取下面3種車型及編組：

(1)韶山3型機(jī)車+20×C70重車，車速80、90、100、110、120 km/h；

(2)韶山3型機(jī)車+20×C80重車，車速80、90、100、110、120 km/h；

(3)CRH2動(dòng)車組，8輛編組，車速180、200、220、240、250 km/h

2.2 軌道不平順譜選取

機(jī)車車輛產(chǎn)生振動(dòng)引起的重要原因是軌道不平順，考慮到國(guó)內(nèi)有砟軌道一般與美國(guó)五級(jí)軌道譜大體相當(dāng)，即比美國(guó)五級(jí)線路譜要好，比美國(guó)六級(jí)線路譜要差。本次分析對(duì)貨車工況采用了美國(guó)五級(jí)譜模擬線路狀態(tài)，對(duì)CRH2動(dòng)車組則采用美國(guó)六級(jí)譜生成的軌道不平順時(shí)域模擬樣本進(jìn)行計(jì)算。

3 橋梁改造方案

48 m半穿式鋼梁提速的主要問題在于橫向剛度不足，導(dǎo)致橫向自振頻率及橫向振幅超限。加固方案主要有以下兩種措施。

加固措施一：對(duì)主桁下弦進(jìn)行加強(qiáng)，在H形桿件內(nèi)外側(cè)四個(gè)角設(shè)置角鋼與其連接，用以增加下弦桿的有效截面，加大主桁剛度，減小橫向振幅。同時(shí)在每一個(gè)節(jié)間設(shè)置了兩處綴板，將四個(gè)角剛箍緊。施工時(shí)，先在下弦桿上將拼接螺栓孔鉆好，解開節(jié)點(diǎn)板上與加強(qiáng)角鋼連接的原有高強(qiáng)螺栓，隨即安裝加強(qiáng)角鋼。加強(qiáng)角鋼應(yīng)逐個(gè)安裝，待加強(qiáng)角鋼全部安裝完畢后，再在節(jié)點(diǎn)位置安裝拼接板。見圖3。

圖3 下弦桿加固斷面(單位：mm)

加固措施二：對(duì)主桁下平縱聯(lián)進(jìn)行桿件更新改造，見圖4。

圖4 下平聯(lián)加固斷面(單位：mm)

高強(qiáng)度螺栓施工應(yīng)按照鐵路高強(qiáng)度螺栓連接施工規(guī)定執(zhí)行。高強(qiáng)度螺栓連接表面的處理，有條件時(shí)應(yīng)采用噴丸(砂)除銹，必須將表面油污、氧化皮和鐵銹及其他雜物清楚干凈，再噴鋁或涂裝無機(jī)富鋅防銹抗滑涂料。確有困難時(shí)，可采用火焰或鋼絲刷除銹，除掉油漆及氧化皮，保證摩擦系數(shù)在0.35以上。改造安裝完畢后，鋼梁表面油漆損傷部位必須清理干凈，涂裝底漆、中間漆和面漆。

4 橋梁自振頻率及振型

橋梁橫向自振頻率是控制橋梁橫向振動(dòng)的主要參數(shù)，反映了橋梁橫向剛度的大小。從鐵路6次提速的經(jīng)驗(yàn)來看，橋梁橫向振動(dòng)是既有線提速存在的突出問題。

根據(jù)《既有線提速200 km/h技術(shù)條件》要求，簡(jiǎn)支梁橫向一階彎曲自振頻率應(yīng)滿足

nh≥60/L0.8

其中L為橋梁跨度/m。

表1為加固前自振動(dòng)頻率的計(jì)算結(jié)果。

表1 加固前自振頻率計(jì)算結(jié)果

5 車橋動(dòng)力仿真分析

5.1 行車安全和乘坐舒適度評(píng)定指標(biāo)

列車運(yùn)行安全性采用脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軌橫向搖擺力幾個(gè)參數(shù)來限定。

乘坐舒適度評(píng)定指標(biāo)采用列車運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)

5.2 橋梁動(dòng)力響應(yīng)限值

參照《鐵路橋涵檢定規(guī)范》，本橋由于采用明橋面，動(dòng)力響應(yīng)限值如下：橋梁的最大垂向加速度amax≤0.5g。橋梁最大橫向加速度amax≤0.14g。

跨中橫向振幅安全限值：

L/(75L+3500)=6.761 mm

貨物列車重車通過時(shí)跨中橫向振幅通常值(V≤80 km/h，支座中心距6.0 m)：

L/(2.2B)=3.636 mm

客車重車通過時(shí)跨中橫向振幅通常值(V≤200 km/h，支座中心距6.0 m)：

L/(4.6B)=1.739 mm

5.3 動(dòng)力響應(yīng)分析

(1)鋼桁梁加固前的分析結(jié)果

在車速120 km/h工況下，輪重減載率超出限值，其他所有工況均滿足輪重減載率均小于0.6，脫軌系數(shù)小于0.8，行車安全性能滿足要求。

美國(guó)六級(jí)譜條件下，CRH2客車在車速180～200 km/h范圍內(nèi)垂向舒適度達(dá)到良，橫向舒適度為良，在車速220～250 km/h范圍內(nèi)垂向舒適度達(dá)到良，橫向舒適度為合格。

鋼桁梁加固前在客車通過條件下的跨中橫向振幅最大值為1.448 mm，滿足《橋檢規(guī)》通常值1.739 mm的要求，貨車通行條件下跨中橫向振幅最大值為4.629 mm，超出《橋檢規(guī)》通常值3.636 mm的要求，但滿足6.761 mm的安全限值。

(2)鋼桁梁加固后的分析結(jié)果

在車速120 km/h工況下，輪重減載率和脫軌系數(shù)超出或接近限值，其他所有工況均滿足輪重減載率均小于0.6，脫軌系數(shù)小于0.8，行車安全基本滿足要求。

美國(guó)六級(jí)譜條件下，CRH2客車在車速180～220 km/h范圍內(nèi)垂向舒適度達(dá)到優(yōu)，橫向舒適度為良，在車速240～250 km/h范圍內(nèi)垂向舒適度達(dá)到良，橫向舒適度為合格。

鋼桁梁加固后在客車通過條件下的跨中橫向振幅最大值為1.313 mm，滿足《橋檢規(guī)》通常值1.739 mm的要求，貨車通行條件下跨中橫向振幅最大值為2.273 mm，滿足《橋檢規(guī)》通常值3.636 mm的要求。

6 結(jié)束語

48 m單線半穿式栓焊鋼桁梁整體加固改造提速至200 km/h客貨共線鐵路國(guó)內(nèi)尚沒有實(shí)例，通過車橋耦合振動(dòng)理論對(duì)車輛過橋引起車橋耦合振動(dòng)進(jìn)行仿真模擬分析，研究車輛過橋時(shí)的走行性、抗脫軌安全性以及橋梁動(dòng)力響應(yīng)，論證了半穿式鋼桁梁加固方案的可行性，為今后鐵路鋼桁梁提速改造提供了參考借鑒。

[1] TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2] 鐵運(yùn)函[2004]鐵路橋梁檢定規(guī)范[S]

[3] 鐵科技函[2006]既有線提速200 km/h技術(shù)條件[S]

[4] 周濤.高速列車對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009

[5] 孫穎.既有鐵路鋼桁梁橋動(dòng)力特性及橫向剛度加固研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(1)

[6] 張維超.跨度48 m半穿式鋼桁梁橫向剛度加固研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2007(2)

[7] 孫志杰.既有鐵路鋼桁梁橋運(yùn)營(yíng)性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4)

[8] 陳萬春.既有連續(xù)鋼桁梁橋的加固后工作狀態(tài)模擬[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(1)

48mhalfthroughreconstructiondesignofbeam

LING Xia-qing

2014-05-26

凌夏青(1975—)，男，1998年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師。

1672-7479(2014)04-0105-03

U445.7+2

： B