一種新型高鐵救援起重機(jī)橋梁通過(guò)及承載能力檢算評(píng)估

惠如海（京滬高速鐵路股份有限公司，北京　100038）

一種新型高鐵救援起重機(jī)橋梁通過(guò)及承載能力檢算評(píng)估

惠如海
（京滬高速鐵路股份有限公司，北京100038）

以京滬高鐵雙線簡(jiǎn)支箱梁與合蚌客專單線簡(jiǎn)支箱梁為例，對(duì)一種新型適用于高鐵橋梁上緊急救援的起重機(jī)進(jìn)行了橋上通行及作業(yè)時(shí)橋梁承載能力的檢算。檢算結(jié)果表明：該型救援起重機(jī)在DF4或HXD3牽引編組回送時(shí)均可全速通過(guò)ZK活載設(shè)計(jì)的各種跨度橋梁；吊重自力走行時(shí)能夠滿足橋梁豎向檢算要求；橋上打支腿作業(yè)時(shí)，各檢算工況作用下常用跨度簡(jiǎn)支梁豎向承載力、箱梁橋面板橫向受力均滿足規(guī)范要求。

高速鐵路；救援起重機(jī)；通行（作業(yè)）；橋梁承載能力；檢算評(píng)估

隨著武廣、京滬、京津、哈大等線路的陸續(xù)開(kāi)通，我國(guó)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到約1萬(wàn)km。高速鐵路在設(shè)計(jì)中多采用高架橋，使橋線比平均高達(dá)70%以上。按照高鐵橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)大型救援起重機(jī)［1］無(wú)法全速通行目前的高鐵橋梁，從軸重、吊重自力走行最大輪載、最大支腿壓力等方面也無(wú)法適應(yīng)高速鐵路的救援作業(yè)要求。因此根據(jù)高速鐵路救援起重機(jī)的特點(diǎn)，研發(fā)一種新型救援起重機(jī)，對(duì)于保證高鐵安全運(yùn)輸具有重要的意義。

1　新型救援起重機(jī)簡(jiǎn)介

高鐵救援以起復(fù)高鐵動(dòng)車(chē)車(chē)體為主要救援目標(biāo)，即起重機(jī)順軌可以將高鐵車(chē)輛車(chē)體起復(fù)，起重量為45 t，幅度25 m，起重力矩為11 250 kN·m。起重機(jī)整備狀態(tài)自重1 480 kN，回送狀態(tài)軸重 18.5 t，軸距 3× 1.4 m，心盤(pán)距9 m，車(chē)長(zhǎng)15 m；吊臂平車(chē)軸重12.5 t和17.5 t，心盤(pán)距10.9 m，車(chē)長(zhǎng)16.4 m，起重機(jī)吊臂支承放置在吊臂平車(chē)上。起重機(jī)外貌及連掛方式見(jiàn)圖1。

圖1　新型高鐵救援起重機(jī)外貌及連接方式

高鐵救援起重機(jī)在橋（單線橋和雙線橋）上工作主要有2種方式：方式1，不打支腿吊重走行方式，即救援起重機(jī)吊著重物在軌道上行駛，速度為10 km/h，作業(yè)中救援起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)和重物不回轉(zhuǎn)；方式2，打支腿作業(yè)方式，即救援起重機(jī)將支腿打在地面或橋面上進(jìn)行吊重作業(yè)，作業(yè)中救援起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)和重物要進(jìn)行回轉(zhuǎn)。

救援起重機(jī)打支腿作業(yè)有3種形式：①救援起重機(jī)在高鐵復(fù)線橋梁上，將重物吊到鄰線，支腿支撐在雙線之間，吊車(chē)體（45 t），回轉(zhuǎn)角度15°；②救援起重機(jī)在高鐵復(fù)線橋梁上，支腿支撐在鄰線上，將重物吊到橋下，吊重45 t，回轉(zhuǎn)角度15度和30°；③救援起重機(jī)在高鐵單線橋梁上，將重物吊到橋下，吊重45 t，回轉(zhuǎn)角度26度和90°。救援起重機(jī)各支腿和心盤(pán)承受的最不利載荷見(jiàn)表1。

2　橋梁活載承載能力及其檢算項(xiàng)目

2.1橋梁活載承載能力

橋梁結(jié)構(gòu)在活載作用下的承載能力用活載系數(shù)Q表示，各種跨度橋梁在救援起重機(jī)編組列車(chē)作用下的活載系數(shù)應(yīng)滿足Q=k0/kq≤1，其中 k0為救援起重機(jī)編組列車(chē)的換算均布活載（kN/m），kq為標(biāo)準(zhǔn)活載的換算均布活載（kN/m），均計(jì)入相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)。計(jì)算k0和kq時(shí)設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)取值相同，若活載系數(shù)Q≤1，表明救援起重機(jī)編組列車(chē)能按照正常速度通行；若活載系數(shù)Q＞1，救援起重機(jī)編組列車(chē)則不能按照正常速度通行。

表1　救援起重機(jī)各支腿和心盤(pán)承受的最不利荷載　kN

2.2檢算項(xiàng)目

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，支座、橋墩、基礎(chǔ)承載能力檢算的規(guī)定如下：①對(duì)于支座，參照文獻(xiàn)［2］中檢驗(yàn)荷載為支座豎向設(shè)計(jì)承載力的1.5倍?？紤]救援起重機(jī)為臨時(shí)荷載，容許應(yīng)力乘以1.5的提高系數(shù)。②對(duì)于橋墩，參照文獻(xiàn)［3］中長(zhǎng)大貨物列車(chē)的有關(guān)規(guī)定第12.0.2條，對(duì)墩臺(tái)材料的檢定容許應(yīng)力乘以1.4的提高系數(shù)。③對(duì)于基礎(chǔ)，參照文獻(xiàn)［3］中長(zhǎng)大貨物列車(chē)的有關(guān)規(guī)定第12.0.3條，對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)的檢定容許承載力乘以1.6的提高系數(shù)。

由此可見(jiàn)，支座、橋墩、基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備較大，其檢定容許應(yīng)力都可以乘以較大的提高系數(shù)，所以本文僅對(duì)救援列車(chē)回送、自力走行以及打支腿作業(yè)工況下的橋梁上部結(jié)構(gòu)承載性能進(jìn)行檢算。

3　檢算跨度及梁型選取

我國(guó)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)速包括250 km/h和350 km/h 2種，其中250 km/h高速鐵路又包括兼顧貨運(yùn)的高速鐵路（設(shè)計(jì)活載為ZK活載和中-活載，采用“時(shí)速250公里客運(yùn)專線鐵路通用圖”）和客運(yùn)專線鐵路（設(shè)計(jì)活載為 ZK活載，采用“時(shí)速250公里客運(yùn)專線（城際鐵路）通用圖”）；350 km/h高速鐵路的設(shè)計(jì)活載為ZK活載，采用“時(shí)速350公里客運(yùn)專線鐵路通用圖”。

從高速鐵路橋梁類(lèi)型來(lái)看，預(yù)應(yīng)力混凝土雙線箱梁占大多數(shù)，且大量采用等跨布置；在跨越山谷、河流、鐵路、道路等特殊區(qū)段時(shí)，采用大跨度連續(xù)箱梁或其他特殊橋梁結(jié)構(gòu)。以京滬高速鐵路為例，31.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁占橋梁總數(shù)的88.4%，23.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡(jiǎn)支箱梁占橋梁總數(shù)的5.1%。

高速鐵路正線上預(yù)應(yīng)力混凝土整孔簡(jiǎn)支箱梁以雙線為主，在部分區(qū)段采用了少量單線箱梁。例如合蚌客專在張港上行線/下行線特大橋、官溝上行線/下行線特大橋中使用了預(yù)應(yīng)力混凝土單線箱梁，共計(jì)472孔，其中包括跨度24 m簡(jiǎn)支箱梁28孔，跨度32 m簡(jiǎn)支箱梁444孔。

在綜合考慮了橋上線路數(shù)目、跨度、截面形式、橋面寬度等因素后，本文以京滬高鐵24 m和32 m雙線箱梁、合蚌客專24 m和32 m單線箱梁為例進(jìn)行相關(guān)檢算。

4　機(jī)車(chē)牽引回送檢算

救援起重機(jī)的回送按照DF4（6軸，軸重23 t）與HXD3（6軸，軸重25 t）2種機(jī)車(chē)回送考慮（編組回送方案見(jiàn)圖2），分別計(jì)算了機(jī)車(chē)牽引下的活載系數(shù)（見(jiàn)圖3）。檢算結(jié)果表明，回送方案DF4或HXD3牽引編組，可以不限速通行ZK活載設(shè)計(jì)的各種跨度橋梁。

圖2　編組回送方案

5　吊重自力走行檢算

5.1檢算思路及方法

1）檢算第1步：假定在計(jì)算k0和kq時(shí)的設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)取值相同，若活載系數(shù)Q≤1，表明救援起重機(jī)編組列車(chē)能按照正常速度通行；若活載系數(shù)Q＞1，救援起重機(jī)編組列車(chē)則不能按照正常速度通行。

2）檢算第2步：若Q＞1，則要考慮采取相應(yīng)的對(duì)策，減小救援起重機(jī)編組列車(chē)的運(yùn)行速度，通過(guò)降低動(dòng)力系數(shù)來(lái)減小活載產(chǎn)生的動(dòng)效應(yīng)。計(jì)算時(shí)kq取設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)，計(jì)算時(shí)k0取降低速度后的動(dòng)力系數(shù)，動(dòng)力系數(shù)的折減參照文獻(xiàn)［3］中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

圖3　機(jī)車(chē)牽引編組回送檢算

3）檢算第3步：豎向檢算。文獻(xiàn)［5］中規(guī)定對(duì)于單線或雙線的橋涵結(jié)構(gòu)，各線均應(yīng)計(jì)入ZK活載作用。對(duì)于雙線橋梁，設(shè)計(jì)中考慮兩線ZK活載，救援起重機(jī)進(jìn)行救援時(shí)，橋上線路一線封閉另一線救援，救援起重機(jī)荷載作用下橋梁的豎向承載能力一般能夠滿足設(shè)計(jì)要求；而對(duì)于單線橋，設(shè)計(jì)中只考慮一線ZK活載，救援起重機(jī)自力走行或橋上打支腿作業(yè)時(shí)對(duì)橋梁的作用效應(yīng)若超過(guò)設(shè)計(jì)活載效應(yīng)，超過(guò)量應(yīng)小于滿足《橋梁檢定規(guī)范》中梁體抗裂安全系數(shù)前提下活載允許的提高量。

考慮救援起重機(jī)在橋上不同位置打支腿的各種工況，將支腿荷載作為縱向移動(dòng)荷載列進(jìn)行加載。檢算橋梁豎向受力時(shí)，按主力組合與原設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)進(jìn)行比較，由于結(jié)構(gòu)自重與二期恒載保持不變，即只需比較救援起重機(jī)活載與提高后設(shè)計(jì)活載作用下的內(nèi)力值。根據(jù)活載內(nèi)力比較結(jié)果，救援起重機(jī)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)若不超過(guò)提高后的活載效應(yīng)，則不需要對(duì)梁體進(jìn)行相關(guān)檢算；若超過(guò)則需對(duì)梁體進(jìn)行全面檢算。

按文獻(xiàn)［5］中表6.1.5，構(gòu)件在主力+附加力作用時(shí)抗裂安全系數(shù)≥1.2；按文獻(xiàn)［3］第6.3.2條，不容許出現(xiàn)拉應(yīng)力的構(gòu)件檢算使用階段抗裂安全性，在主力+附加力作用時(shí)安全系數(shù)≥1.1，即在做橋梁檢算時(shí)構(gòu)件的抗裂安全系數(shù)Kf由1.2降為1.1，而混凝土正應(yīng)力 σ可提高至1.2/1.1≈1.091倍，即荷載彎矩 M可以提高9.1%。

在高鐵（客專）單線簡(jiǎn)支箱梁中恒載所占比例較高，一般恒活比 ＞2∶1。救援起重機(jī)在自力走行作業(yè)時(shí)，原橋的自重與二期恒載不變，與原設(shè)計(jì)相比增加的荷載僅為活載項(xiàng)，按最小恒活比2∶1考慮，則有 M= M自重+M二期+M活載=3M活載，當(dāng)荷載彎矩提高9.1%，活載彎矩則可提高27.3%，即救援起重機(jī)荷載與 ZK活載引起的荷載效應(yīng)＜1.273時(shí)，梁體的抗裂安全系數(shù)至少為1.1，滿足規(guī)范規(guī)定。

5.2極限荷載檢算

高鐵救援起重機(jī)在橋梁上不打支腿吊重走行方式即自力走行作業(yè)，是救援起重機(jī)吊著重物在軌道上行駛，速度為10 km/h，作業(yè)中救援起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)和重物不回轉(zhuǎn)，作業(yè)時(shí)在救援起重機(jī)兩端各增加一個(gè)輔助支承轉(zhuǎn)向架。此時(shí)救援起重機(jī)作業(yè)見(jiàn)圖4。

圖4　救援起重機(jī)自力走行作業(yè)（單位：mm）

救援起重機(jī)在單線橋梁上自力行走時(shí)在吊重情況下車(chē)軸載荷由12軸承擔(dān)，在雙線橋梁上自力走行時(shí)由前10軸承擔(dān)，2種工況下最大工作極限荷載軸重見(jiàn)表2，檢算結(jié)果見(jiàn)圖5。

表2　自力走行吊重工況極限荷載軸重　kN

由圖5可知，救援起重機(jī)在單線橋梁上限速10 km/h后自力行走時(shí)最大活載系數(shù)Q為1.261，小于1.273的限值要求，滿足橋梁豎向檢算的要求；當(dāng)救援起重機(jī)進(jìn)行救援時(shí)，考慮一線線路封閉，限速10 km/h后最大活載系數(shù)Q為1.598，小于2倍ZK設(shè)計(jì)活載，故救援起重機(jī)在雙線橋梁上自力行走時(shí)也滿足橋梁豎向檢算的要求。

圖5　吊重自力走行檢算

6　橋上作業(yè)工況檢算

高速鐵路中各線根據(jù)自身特點(diǎn)選取的箱梁截面尺寸略有不同，但設(shè)計(jì)時(shí)都經(jīng)過(guò)檢算，在豎向及橫向均滿足鐵路規(guī)范的要求。本文以京滬高鐵24，32 m雙線箱梁（圖號(hào)：京滬施（2008）2322A）及合蚌客專24，32 m單線箱梁（圖號(hào)：合蚌客專施（橋）參）為例進(jìn)行相關(guān)檢算，箱梁截面見(jiàn)圖6。

圖6　京滬高鐵32 m雙線箱梁、合蚌客專單線箱梁截面（單位：cm）

救援起重機(jī)在高鐵箱梁橋上打支腿作業(yè)時(shí)，控制梁體承載能力檢算的主要內(nèi)容：①救援起重機(jī)在單線橋上不同位置吊重作業(yè)時(shí)梁體的豎向承載力檢算；②救援起重機(jī)在雙線橋上吊重作業(yè)時(shí)橋面板的橫向受力檢算。

6.1豎向承載力檢算

為模擬救援起重機(jī)在橋上隨機(jī)位置進(jìn)行吊重作業(yè)的情況，將救援起重機(jī)在單線橋上吊重時(shí)的心盤(pán)及支腿荷載簡(jiǎn)化為集中荷載（見(jiàn)圖7），沿全橋不同位置進(jìn)行加載，并把加載得到的最大內(nèi)力值與設(shè)計(jì)ZK活載（見(jiàn)圖8）的內(nèi)力值進(jìn)行比較。

圖7　救援起重機(jī)在單線橋上吊重作業(yè)時(shí)加載圖式

圖8　設(shè)計(jì)ZK活載加載圖式

救援起重機(jī)在單線橋上吊重至橋下作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的最大跨中彎矩與設(shè)計(jì)ZK活載產(chǎn)生的最大跨中彎矩見(jiàn)表3。

通過(guò)分析可知，救援起重機(jī)進(jìn)行以上作業(yè)時(shí)與設(shè)計(jì)ZK活載產(chǎn)生的最大跨中彎矩之比均小于按文獻(xiàn)［3］推定的跨中彎矩最大27.3%的增量，滿足抗裂安全系數(shù)1.1要求。

表3　單線橋上救援起重機(jī)與ZK活載產(chǎn)生的最大跨中彎矩

6.2橋面板橫向受力檢算

救援起重機(jī)在雙線橋上吊重作業(yè)時(shí)橋面板橫向受力按實(shí)體模型計(jì)算，橋梁橫向應(yīng)力云圖如圖9所示。

救援起重機(jī)在雙線橋上吊重作業(yè)時(shí)箱梁橋面板跨中截面受力最不利，有限元實(shí)體模型按彈性理論計(jì)算的橋面板上、下緣橫橋向應(yīng)力見(jiàn)表4。高鐵24，32 m箱梁未設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，橋面板按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，因此需按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)理論對(duì)混凝土壓應(yīng)力與鋼筋拉應(yīng)力進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果參見(jiàn)表4。表中，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；C50混凝土中心受壓時(shí)容許壓應(yīng)力為13.4 MPa，彎曲受壓時(shí)為16.8 MPa；HRB335鋼筋主力作用時(shí)容許拉應(yīng)力為180 MPa，主力+附加力作用時(shí)為230 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，箱梁橋面板跨中截面按鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算的混凝土壓應(yīng)力、鋼筋拉應(yīng)力滿足文獻(xiàn)［5］要求。

圖9　雙線橋上作業(yè)梁體橫向應(yīng)力（單位：MPa）

表4　箱梁橋面板按實(shí)體模型計(jì)算與按鋼筋混凝土構(gòu)件檢算應(yīng)力　MPa

7　結(jié)論

本文對(duì)一種新型適用于高鐵橋梁上緊急救援的起重機(jī)進(jìn)行了橋上通行及作業(yè)時(shí)橋梁承載能力的檢算，得到以下主要結(jié)論：

1）救援起重機(jī)在DF4或HXD3牽引編組回送時(shí)，均可全速通過(guò)ZK活載設(shè)計(jì)的各種跨度橋梁。

2）救援起重機(jī)吊重自力走行時(shí)能夠滿足單線和雙線橋梁的豎向檢算要求。

3）救援起重機(jī)在橋梁上打支腿作業(yè)時(shí)，各檢算工況作用下常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁豎向承載力、橋面板橫向受力檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

［1］陶曉燕，劉吉元.高鐵救援起重機(jī)橋梁通過(guò)及承載技術(shù)咨詢報(bào)告［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 2331—2004鐵路橋梁盆式橡膠支座［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］120號(hào)鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵道部令第34號(hào)鐵路主要技術(shù)政策［Z］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Inspection and Evaluation of Bearing Capacity of High Speed Railway Birdge Girders Under Passing of a New Type of Rescue Crane

HUI Ruhai
（The Beijing-Shanghai High-speed Railway Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

T he bearing capacity of a simply support box girder under Passing of a new type of rescue crane was studied.T he box girders applied in bridges in double-line Beijing-Shanghai high speed railway and one-line Hefei-Bengbu high speed railway were case-studied.T he results indicate that the rescue crane with the locomotive traction of DF4or HXD3can pass all-span bridges designed with ZK live load at full speed.In the vertical direction，the stress meets the requirements when the crane passes the bridge with loads.W hen the landing legs of crane are used，the vertical bearing capcity of general span simply support box girder and transverse bearing capcity of the bridge deck of the box girders meet the requirements of code in all load cases.

High speed railway；Rescue crane；Pass（work）；Bearing capacity；Inspection and evaluation

U441+.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.06

1003-1995（2016）08-0026-05

2016-04-15；

2016-05-20

惠如海（1963— ），男，高級(jí)工程師。