一種高速鐵路搶修鋼梁的設(shè)計研究

孫志星?┱乓?輝 許宏偉

摘要：為了確保高速鐵路橋梁在遭受破壞后能及時得到搶修并快速恢復(fù)通車，研究了一種能適應(yīng)高速鐵路橋梁搶修的梁部搶修結(jié)構(gòu)——拼裝式高鐵搶修鋼桁梁，建立了高鐵搶修鋼桁梁的有限元模型，進(jìn)行了靜力、動力（模態(tài)、車橋耦合）分析。結(jié)果表明：搶修梁的豎向剛度相對偏小，但在各計算車速下，橋梁響應(yīng)、車輛響應(yīng)均較小，滿足相關(guān)規(guī)范要求的限值，可以作為一種搶修高鐵橋梁的儲備技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；搶修鋼梁；結(jié)構(gòu)剛度；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號：U445.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Design and Research of Steel Beam for Rush Repair of Highspeed Railway

SUN Zhixing1，2， ZHANG Yaohui1，2， XU Hongwei3

（1. Institute of National Defense Transportation， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043，

Hebei， China； 2. Hebei Engineering Research Center for Traffic Emergency Response and Guarantee，

Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， Hebei， China； 3. School of Civil Engineering，

Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， Hebei， China）

Abstract： In order to ensure that the highspeed railway bridges can be repaired quickly after being damaged， an assembled steel beam for rush repair of highspeed railway bridges was studied. The finite element model of steel beam was built， and the static and dynamic （mode and vehiclebridge coupling） analysis was carried out. The results show that the vertical stiffness of the beam is relatively small， but the bridge response and vehicle response are small at all calculated vehicle speeds， which meet the requirements of the relevant specifications. The steel beam can be used as a reserve technique for repairing highspeed railway bridges.

Key words： highspeed railway； steel beam for rush repair； structural stiffness； structural analysis

0引言

中國以“四縱四橫”高速鐵路為骨架的快速鐵路網(wǎng)已基本建成，至2015年底，中國高鐵運營里程達(dá)到1.9萬km，超過世界高鐵營業(yè)里程的一半。根據(jù)十三五規(guī)劃，到2020年高鐵營業(yè)里程需達(dá)到3萬km、覆蓋80%以上的大城市。在高鐵建設(shè)中，考慮到路基剛度小、沉降變形控制難度大，為了增加線路的平順性，減少線路工后沉降，減小或避免不良輪軌動力響應(yīng)，減少維修工作量，增加行車舒適度以及減少占地等因素，多采用“以橋帶路”的施工形式[13]。中國建成和在建的高鐵中，橋梁占線路總里程的50%以上，其中京津城際鐵路、京滬高鐵、廣珠城際鐵路中的橋梁所占比例更達(dá)到80%以上[45]。然而，橋梁結(jié)構(gòu)容易遭受自然災(zāi)害影響、人為破壞及戰(zhàn)時攻擊，易毀難修。目前，國內(nèi)對高鐵橋梁的應(yīng)急保障搶修技術(shù)研究尚處于起步或空白階段，已經(jīng)投入運營、數(shù)量巨大的高鐵橋梁一旦發(fā)生損毀，將面臨沒有搶修器材儲備，沒有搶修技術(shù)支撐的窘境，研究一種能適應(yīng)高鐵橋梁搶修的梁部搶修結(jié)構(gòu)是極為迫切的。因此，本文介紹一種新型拼裝式的高鐵搶修鋼梁，并對其進(jìn)行模擬分析。

1高鐵搶修鋼梁的結(jié)構(gòu)及特性

高鐵橋梁中跨度為32、24、20 m的簡支梁橋約占橋梁總長的90%以上[67]。因此，高鐵搶修鋼梁的設(shè)計主要針對這3種跨度進(jìn)行。為了適應(yīng)高鐵混凝土箱梁的建筑高度，本搶修鋼桁梁采用上承式結(jié)構(gòu)；為方便存儲、運輸和拼組，采用片狀桿系結(jié)構(gòu)；消除銷孔間隙，提高結(jié)構(gòu)剛度，主桁連接采用膨脹式銷栓。本鋼梁主要有11種構(gòu)件（圖1），包括6 m主桁構(gòu)架、4 m主桁構(gòu)架、端構(gòu)架、上平縱聯(lián)構(gòu)架、下平縱聯(lián)構(gòu)架、橫聯(lián)斜撐桿、端橫聯(lián)副斜撐、橋面系縱梁、橋間橫聯(lián)構(gòu)架、橋間橫聯(lián)調(diào)整構(gòu)架、橋間上下平縱聯(lián)斜撐桿（2種尺寸，以適應(yīng)5 m或46 m雙線間距），如圖1所示。

搶修鋼梁這類拆裝式結(jié)構(gòu)最主要的技術(shù)問題是連接方式，本文設(shè)計的高鐵搶修鋼梁為上、下平縱聯(lián)及橋間橫聯(lián)（包括橋間橫聯(lián)調(diào)整結(jié)構(gòu)）構(gòu)架形式，與主桁及相互連接采用不需節(jié)點板的法蘭式連接；同時，主桁構(gòu)架（包括6 m主桁構(gòu)架、4 m主桁構(gòu)架、端構(gòu)架）之間采用插入式連接，這種連接方式省去了節(jié)點板，減少了連接螺栓數(shù)量，連接作業(yè)方便。

目前，既有鐵路搶修鋼梁在鋪設(shè)曲線線路時都離不開枕木，由于曲線半徑的變化范圍很大，同時梁跨也在變化，這就要求軌道在梁上的位置必須在某一范圍內(nèi)連續(xù)變化，當(dāng)前只能采用通過木枕道釘固定鋼軌的辦法來解決[89]。對此本搶修鋼桁梁采用橋面系縱梁，通過其上長孔調(diào)整橋面系縱梁與上平縱聯(lián)構(gòu)架形成的橫梁間的相對位置，可適于曲線線路的鋪設(shè)，并且直線、曲線均不用枕木。同時，橋面系縱梁設(shè)計為槽形截面，可降低軌底標(biāo)高，其側(cè)梁可兼作護輪軌，從而減輕了橋面重量。endprint

高鐵搶修鋼梁的主要技術(shù)性能參數(shù)及適應(yīng)性如下所示。

（1）設(shè)計基本活載采用高速鐵路設(shè)計荷載ZK活載，而現(xiàn)有搶修鋼梁為六四式鐵路軍用梁，基本設(shè)計載重為東風(fēng)4型內(nèi)燃機車單機隨掛7 tf·m-1；八七型鐵路應(yīng)急搶修鋼梁，設(shè)計活載為前進(jìn)型機車單機隨掛70 kN·m-1。

（2）設(shè)計跨度在32 m 及以下時（主要包括24 m和20 m跨度），由6、4 m主桁構(gòu)架滿足跨度變化2 m的模數(shù)。

（3）最大行車速度不小于80 km·h-1。目前，中國所儲備的用于鐵路橋梁梁部搶修的制式器材包括六四式鐵路軍用梁、拆裝式桁梁和八七型鐵路應(yīng)急搶修鋼梁，其橫向剛度較弱，行車限制速度都比較低[1012]。如六四式軍用梁的行車限制速度（跨度為24 m及以下時）為40 km·h-1；雙層梁跨度小于40 m、單層梁跨度小于30 m時，限制速度為30 km·h-1；雙層梁跨度大于40 m、單層梁跨度大于30 m時，限制速度僅為10 km·h-1。拆裝式桁梁通車速度只能達(dá)到50～60 km·h-1。八七型鐵路應(yīng)急搶修鋼梁根據(jù)橋式和跨度的不同限制行車速度在15～40 km·h-1。當(dāng)前中國儲備的搶修鋼梁的行車限制速度與目前鐵路列車行車速度相差較大，提高搶修鋼梁的行車速度，是適應(yīng)高速鐵路搶修的一個重要技術(shù)指標(biāo)。

（4）適應(yīng)橋上單線或雙線線路，利用橋間橫聯(lián)調(diào)整構(gòu)架，適用5 m或46 m雙線間距。同時可滿足直線與曲線的線路條件，曲線半徑與高鐵正線曲線半徑相適應(yīng)。

（5）部件最大質(zhì)量為28 t。

（6）由小型起重機配合人工拼組，對拼組設(shè)備的要求較低。

（7）運輸?shù)倪m應(yīng)性強，可以散件運輸，也可整孔線上運輸。

（8）架設(shè)的適應(yīng)性強，對于不同的線路環(huán)境，可采用不同的架設(shè)方法提高搶修速度，如墩高較低時可采用汽車吊、門式起重機，墩高較高時可采用整孔懸臂行進(jìn)法架設(shè)[1315]。

2有限元計算模型

高鐵搶修鋼桁梁為桿系結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)架采用梁單元（beam188），橫聯(lián)斜撐、橋間平縱聯(lián)斜撐采用桿單元（link8）模擬。在保證結(jié)構(gòu)模型真實反映實際受力狀態(tài)的情況下，對一些局部進(jìn)行了適當(dāng)簡化[1618]：對主桁膨脹式銷栓連接，放松繞銷軸旋轉(zhuǎn)自由度；除橫聯(lián)斜撐、橋間平縱聯(lián)斜撐連接外，將其余螺栓連接視為剛性連接；局部拼接增加的重量，以提高密度的方法實現(xiàn)。

本文選擇最具代表性的32 m雙線梁（4.6m線間距）進(jìn)行計算分析，有限元模型如圖2所示。

3結(jié)構(gòu)計算及分析

3.1豎向撓度分析

32 m簡支搶修鋼梁在ZK靜活載作用下，豎向撓度為46 mm，遠(yuǎn)優(yōu)于《鐵路橋梁搶修（建）技術(shù)規(guī)程（試行）》（以下簡稱規(guī)程）中規(guī)定的豎向靜活載所引起的桁梁豎向撓度容許值為L/350～L/400（32 m桁梁即80～91.4 mm）的要求。規(guī)程要求限制行車速度在15～45 km·h-1之內(nèi)，而搶修鋼梁的設(shè)計時速不低于80 km·h-1。因此，參考《鐵路橋涵基本設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中列車靜活載所引起的簡支鋼桁梁豎向撓度不超過L/900（32 m鋼桁梁即35.6 mm）的要求來看，32 m搶修鋼梁超出了規(guī)范要求值的29%，其豎向剛度偏小，在設(shè)計上可選用一些加強型桁梁桿件。

3.2模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)自身動力特性是把握結(jié)構(gòu)在荷載作用下動力響應(yīng)的基礎(chǔ)，也是判定模型正確性的一個重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的振動可以理解為各階固有振型的線性疊加，其中低階模態(tài)起主要作用；考慮到結(jié)構(gòu)阻尼，動力響應(yīng)中的高階部分衰減很快，故常常忽略高階模態(tài)的影響。該搶修鋼梁的前8階模態(tài)分析固有頻率及振型特征如表1所示。梁豎向基頻為644 Hz，

滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621—2014）（下文簡稱“規(guī)范”）中關(guān)于簡支梁豎向自振頻率的限值要求（32 m簡支梁豎向基頻為303 Hz）。由表1可看出，梁的豎向剛度較橫向和扭轉(zhuǎn)要弱。因此，在橋梁拼裝架設(shè)與使用過程中，需要格外注意鋼梁的豎向變形。

3.3車橋耦合分析

本文車橋耦合模擬分析車輛采用CRH3型，16輛編組形式，車速為50～100 km·h-1?？紤]到搶修梁軌道鋪設(shè)調(diào)試時間有限，采用軌道條件較差的美國五級軌道譜作為軌道不平順的激勵源。由于節(jié)點連接處構(gòu)件之間、支座等邊界連接部位的摩擦耗能作用以及材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非線性而出現(xiàn)的滯回環(huán)等因素，鋼桁梁在振動中的阻尼不可忽略，本文計算中采用瑞利阻尼，其中阻尼比ξ=002。

搶修鋼梁的主要動態(tài)最大響應(yīng)如表2所示。從中可知，隨著列車過橋速度的增快，跨中橫向振幅、橫向加速度呈現(xiàn)增大趨勢，而跨中豎向振幅及加速度為波動形式。當(dāng)行車速度達(dá)到100 km·h-1時，跨中橫向振幅為1148 mm、橫向加速度為1267 m·s-2，豎向振動加速度為2758 m·s-2，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對32 m鋼桁梁橫向振幅行車安全值不超過49 mm及橫向振動加速度不超過14 m·s-2的要求，小于“規(guī)范”中無砟橋面豎向振動加速度為50 m·s-2的限值，表明搶修鋼梁在各計算車速下結(jié)構(gòu)的振動性能滿足要求。

（1）脫軌系數(shù)、輪對橫向力，在車速為80 km·h-1時振動變化，車速大于80 km·h-1后顯著增大，車速為100 km·h-1時最大脫軌系數(shù)達(dá)到0.350（拖車）、最大輪對橫向力為39.9 kN，均滿足“規(guī)范”要求（Q/P≤08，Q=60 kN）。

（2）輪重減載率隨車速增大而增大，當(dāng)車速為100 km·h-1時，其值達(dá)到0.204（拖車），滿足要求（ΔP/P≤06）。

（3）豎向和橫向加速度都隨車速增大而增大（振動增大），車速為100 km·h-1時，豎向加速度達(dá)到0.757 m·s-2（拖車）；車速為90 km·h-1時橫向加速度達(dá)到0.817 m·s-2（動車），二者均滿足要求（豎向加速度av≤013g，橫向加速度ah≤0.10g）。

（4）旅客乘坐舒適度指標(biāo)采用中國車輛平穩(wěn)性指標(biāo)即Sperling指標(biāo)計算，得出：隨著車速增大車輛的舒適度在減小，但其值都小于2.5，符合“優(yōu)”等級。

4結(jié)語

隨著高速鐵路的大力發(fā)展，為了確保高鐵橋梁在遭受破壞后能及時得到搶修、快速恢復(fù)通車，研究適應(yīng)高鐵橋梁搶修的梁部搶修結(jié)構(gòu)極為迫切。本文介紹了一種拼裝式高鐵搶修鋼桁梁，建立了有限元模型，進(jìn)行了

靜力、動力（模態(tài)、車橋耦合）分析。結(jié)果表明：搶修梁的豎向剛度相對偏小，在各計算車速下，橋梁響應(yīng)、車輛響應(yīng)均較小，滿足相關(guān)規(guī)范要求的限值，可以作為一種高鐵搶修橋梁技術(shù)儲備。然而銷接及螺栓連接的間隙、軌道譜的特性等仍需要根據(jù)類似結(jié)構(gòu)或者實測數(shù)據(jù)來修正計算模型，從而能用于指導(dǎo)實際工程。

參考文獻(xiàn)：

[1]危鳳海.高速鐵路路基沉降的幾種原因及其監(jiān)測方法[J].筑路機械與施工機械化，2010，27（10）：2427.

[2]高占軍.快速鐵路橋梁搶修器材研制關(guān)鍵技術(shù)探討[J].國防交通工程與技術(shù)，2013（5）：2527.

[3]張耀輝，王海林.高速鐵路混凝土簡支梁災(zāi)后換裝恢復(fù)技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2016（3）：512.

[4]謝愛華.高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材主要技術(shù)指標(biāo)分析[J].國防交通工程與技術(shù)，2016（1）：3032，25.

[5]張耀輝，王海林，秦志宇.高鐵橋梁災(zāi)后應(yīng)急搶修與恢復(fù)技術(shù)探討[J].國防交通工程與技術(shù)，2015（6）：2225.endprint