一座32 m鐵路鋼桁梁橋受損弦桿更換及運(yùn)營性能分析

林麗軍 ， 張志國 ， 楊高艦

(1.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

林麗軍，張志國，楊高艦.一座32 m鐵路鋼桁梁橋受損弦桿更換及運(yùn)營性能分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,35(1):32-38.

以桿件體系為承載結(jié)構(gòu)的鋼桁梁橋在鋼橋發(fā)展過程中占有重要地位[1]。與混凝土橋相比，在同等條件下鋼桁梁橋具有自重輕、施工方便快捷、承載能力大、適合較大跨度等優(yōu)點(diǎn)，所以成為鐵路橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式之一[2]。在營運(yùn)過程中，由于動力荷載作用，以及列車軸重的增加，都會使得橋梁提前出現(xiàn)病害，必要時(shí)需要加固。對跨線橋梁還有一類風(fēng)險(xiǎn)因素，即被超限車輛撞擊，這種撞擊荷載作用后可能會對橋梁的安全造成影響。針對被超限車撞擊后弦桿出現(xiàn)局部彎曲變形、影響正常傳力的一座既有鐵路簡支鋼桁梁橋進(jìn)行分析，采用有限元模擬仿真計(jì)算和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，目的是通過掌握該橋弦桿更換過程的受力變化情況，為本橋快速更換控制提供依據(jù)[3-5]。

1 工程概況

跨辛沙公路1#橋?yàn)閱尉€鐵路栓焊鋼桁梁橋，線路中心里程為K333+475.92，該橋計(jì)算跨度31.8 m，桁高9 m，主桁中心距5.75 m。主桁弦桿及腹桿均采用焊接組合H型截面，弦桿桿件寬度、高度分別為400 mm和420 mm。橋面系采用縱橫梁體系，橫梁通過連接板栓接于主桁節(jié)點(diǎn)，縱梁與橫梁平接，橫梁高度為1 200 mm，縱梁高度為800 mm。鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)材料采用16Mnq鋼。鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)及桿件編號如圖1所示。

圖1 鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)(單位：mm)

鋼桁架由于受下穿公路過往車輛撞擊，造成下弦桿E2-E2′產(chǎn)生扭曲變形，截面出現(xiàn)附加力，撞擊受損情況如圖2所示，相關(guān)節(jié)點(diǎn)及螺栓排布如圖3所示。

圖2 撞擊受損桿件示意圖

圖3 節(jié)點(diǎn)及螺栓布置示意圖(單位：mm)

2 橋梁檢測及劣化評定

為全面了解橋梁主體結(jié)構(gòu)的工作性能及劣化狀況，采用常規(guī)手段對其缺陷和損傷的性質(zhì)、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢等技術(shù)狀況進(jìn)行綜合檢查，目的是通過分析評價(jià)既有缺陷和損傷狀況對橋梁結(jié)構(gòu)工作性能的影響程度，確定橋梁結(jié)構(gòu)的劣化等級，為橋梁劣化評判及維修加固提供依據(jù)?？缧辽彻?#橋劣化狀態(tài)檢查情況如表1所示。

表1 辛沙路1#橋劣化狀態(tài)記錄表

根據(jù)表1所示劣化檢測結(jié)果，依據(jù)《鐵路橋隧建筑物劣化評定標(biāo)準(zhǔn)》(TB/T 2820.1～8—1999)有關(guān)規(guī)定要求，綜合評定跨辛沙公路1#橋劣化狀況等級為B級，需要對E2-E2′弦桿和與其相連的下平聯(lián)桿件EE2-E3進(jìn)行更換，相應(yīng)位置重新涂裝以恢復(fù)橋梁到正常工作狀態(tài)。

3 鋼桁梁更換桿件施工程序

根據(jù)現(xiàn)場勘查檢測結(jié)果，在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和更換過程內(nèi)力轉(zhuǎn)換平穩(wěn)前提下，盡量縮短施工要點(diǎn)時(shí)間，以對營運(yùn)鐵路和下穿公路交通影響最小為原則，制定更換步驟如下：

(1)封閉公路，并在待更換桿件節(jié)點(diǎn)處搭設(shè)臨時(shí)支架。

(2)拆除下平聯(lián)桿件EE2-E3，松解橫梁EE3-E3、斜桿EE2′-E3、豎桿A3-E3的連接螺栓。

(3)對稱松解受損弦桿E2-E2′兩端節(jié)點(diǎn)螺栓，再拆除損傷弦桿。

(4)與前述拆卸過程順序相反，分步安裝新?lián)Q桿件，先安裝弦桿，再安裝下平聯(lián)及節(jié)點(diǎn)連接螺栓，注意安裝順序和節(jié)點(diǎn)螺栓施擰順序。

(5)新?lián)Q桿件、節(jié)點(diǎn)及螺栓涂裝。

4 更換施工過程仿真模擬

4.1 MIDAS/CIVIL分析建模

采用MIDAS/CIVIL進(jìn)行更換施工過程模擬，施工步驟根據(jù)吊裝及桿件拼裝過程共分為5個工況，具體列于表2，典型階段模型如圖4所示。工況1是拆除桿件后不設(shè)置支撐轉(zhuǎn)換的虛擬工況，主要用于受力及變形對比。工況2到工況5依次代表鋼桁架梁支架支撐完成、損傷桿件拆除完成、更換桿件安裝完成和支架拆除完成卸載，橋梁恢復(fù)到承載狀態(tài)。在此過程中，橋梁部分自重荷載先從主桁轉(zhuǎn)換到支撐、再從

支撐恢復(fù)到主桁的過程，為掌握更換過程中受力及變形狀態(tài)，通過建立模型進(jìn)行仿真模擬分析。建模時(shí)，將每一個工況單獨(dú)定義成組并通過激活或鈍化來完成各施工階段的模擬。模擬時(shí)僅考慮結(jié)構(gòu)自重及施工荷載作用。所有桿件均采用梁單元模擬，縱梁與縱梁上翼緣、橫梁端部截面中心與上下翼緣均采用剛性連接。一側(cè)設(shè)置固定鉸約束，另一側(cè)設(shè)置可動鉸約束來模擬鋼桁架梁結(jié)構(gòu)的邊界條件[6]。

表2 仿真模擬工況統(tǒng)計(jì)表

圖4 32 m鋼桁梁橋典型階段模型

4.2 仿真結(jié)果

4.2.1 主桁架內(nèi)力及位移分析

限于篇幅，僅給出工況1、工況2和工況5階段主桁架桿件的應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖5 桁架桿件應(yīng)力云圖(單位：MPa)

為考查受損弦桿失效后對鋼桁架橋力學(xué)行為的影響，將虛擬工況1(假設(shè)受損更換桿件完全拆除)和實(shí)際工況5主桁架應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。工況1可以理解為是弦桿受損狀態(tài)的極限，該弦桿徹底失效，而實(shí)際僅是有效截面減小和桿件剛度一定程度的降低，但是這并不影響對其受力行為變化趨勢的定性分析。從計(jì)算結(jié)果可以看出，弦桿失效后，主桁架產(chǎn)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，兩主桁架受力出現(xiàn)差異，受撞擊側(cè)主桁桿件內(nèi)力出現(xiàn)降低，而另一側(cè)主桁架內(nèi)力出現(xiàn)上升，該側(cè)桿件內(nèi)力均大于被撞擊側(cè)對應(yīng)桿件內(nèi)力，其中應(yīng)力最大值為45.1 MPa，出現(xiàn)在未撞擊側(cè)下弦桿EE2-EE3，而撞擊側(cè)主桁桿件最大應(yīng)力僅為21.8 MPa，出現(xiàn)在斜腹桿A1-E2。對比工況1與工況5桿件應(yīng)力值變化可以發(fā)現(xiàn)，被直接撞擊側(cè)主桁架所有桿件應(yīng)力值均增大，另一側(cè)主桁架應(yīng)力值均減??；從工況5可以看出，桿件更換完成后主桁架內(nèi)力恢復(fù)到完好狀態(tài)，表現(xiàn)出了較好的整體受力性能。

表3 主桁桿件應(yīng)力比較 MPa

虛擬工況1和實(shí)際工況5主桁架位移云圖如圖6所示。由圖6可以看出，橋梁主桁結(jié)構(gòu)豎向位移的最大位置位于跨中截面，其中豎向位移最大值結(jié)果：工況1為8.17 mm，撓跨比為1/3 892；工況5為5.23 mm，撓跨比為1/6 080，均小于1/1 250，符合規(guī)范要求。通過計(jì)算結(jié)果，還可以得出該弦桿桿件失效后結(jié)構(gòu)剛度也出現(xiàn)明顯降低，實(shí)測在重載列車荷載作用下，受損弦桿桁架橋已經(jīng)逐漸表現(xiàn)剛度不足，長此以往勢必會增加橋梁疲勞損傷，甚至危及安全，所以更換受損桿件十分必要。

圖6 桿件更換前后位移等值云圖(單位：mm)

4.2.2 主桁桿件內(nèi)力變化分析

對虛擬工況1及實(shí)際施工階段工況2～工況5分析建模，并提取部分關(guān)聯(lián)桿件的內(nèi)力進(jìn)行比較分析，桿件內(nèi)力變化統(tǒng)計(jì)見表4，結(jié)果如圖7所示。從中可以看出：

表4 主桁桿件內(nèi)力變化統(tǒng)計(jì)表 MPa

圖7 主桁桿件內(nèi)力變化圖

在更換過程中，提取的典型桿件受力基本都經(jīng)歷了一個應(yīng)力先降低再增加的過程，表明隨更換施工，支架完成以及拆除桿件過程中，桁架自重荷載一部分被轉(zhuǎn)移到支架承擔(dān)，而主桁架桿件內(nèi)力降低；當(dāng)更換完成以及拆除支架后，橋梁恢復(fù)承載狀態(tài)，各桿件內(nèi)力又增加至成橋狀態(tài)。其中受壓上弦桿A2-A2′在工況3時(shí)內(nèi)力最小，與工況5相比變化幅度達(dá)63.3%；受壓斜桿E0-A1、A1-E2內(nèi)力變化相對平穩(wěn)，在更換過程中變化幅度分別為34.2%、36.0%；受拉下弦桿E0-E2和EE2-EE2′內(nèi)力變化幅度分別為33.1%、49.3%；與前述變化不同，受壓豎桿A3-E3在工況3最大，更換過程中內(nèi)力變化幅度為34.9%。從以上變化可以看出，更換過程中桿件內(nèi)力基本成比例變化，僅對直接或間接相連桿件內(nèi)力影響較大。從模擬結(jié)果可以看出，更換過程桿力變化總體平穩(wěn)，符合力的傳遞轉(zhuǎn)換關(guān)系，更換方案切實(shí)可行。

由主桁內(nèi)力、位移及桁架桿件內(nèi)力變化模擬計(jì)算分析可知，桿件更換后桁架結(jié)構(gòu)整體性良好，豎向變形減小，桿件內(nèi)力分布合理，已恢復(fù)到設(shè)計(jì)理想狀態(tài)。

圖8 工況3支架桿件應(yīng)力云圖

4.2.3 支架桿件內(nèi)力變化分析

對實(shí)際施工階段工況2～工況4分析建模，并提取支架主要桿件的內(nèi)力進(jìn)行分析，最大內(nèi)力出現(xiàn)在工況3，為此選取工況3進(jìn)行分析，應(yīng)力云圖如圖8所示。提取支架反力，在工況2為-36.78 kN，在工況3為-41.59 kN，在工況4為-36.54 kN。

由計(jì)算結(jié)果可以得出，更換弦桿施工過程中，支架經(jīng)歷的過程是內(nèi)力先增加再到平穩(wěn)，與更換主桁桿件過程正好形成對照，表明部分橋梁自重荷載會隨更換過程臨時(shí)轉(zhuǎn)移至支架結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果：支架最大軸向應(yīng)力為15.2 MPa，出現(xiàn)在支架立柱桿件；最大拉應(yīng)力為41.59 MPa，出現(xiàn)在工字鋼分配梁下翼緣，均未超過材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，表明支架結(jié)構(gòu)滿足承載力要求。

5 鋼桁梁橋運(yùn)營性能測試分析

5.1 測點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況

圖9 靜載測點(diǎn)布置圖

動載試驗(yàn)應(yīng)變測點(diǎn)選取在模擬計(jì)算應(yīng)力較大桿件，位移傳感器安裝在撓度較大位置，參考仿真模擬計(jì)算結(jié)果，本工程測點(diǎn)主要布置在桁架上、下弦桿及腹桿中部，測點(diǎn)詳細(xì)布置如圖9～圖11所示。其中，代表應(yīng)變測點(diǎn)、代表撓度測點(diǎn)、代表豎向振幅測點(diǎn)、代表橫向振幅測點(diǎn)、代表橫向加速度測點(diǎn)、代表豎向加速度測點(diǎn)。

圖10 動載測點(diǎn)布置圖

圖11 鋼桁梁桿件測點(diǎn)布置圖

取表5所列共7 個工況對辛沙公路1#中橋進(jìn)行現(xiàn)場靜動力行為測試，動態(tài)測試時(shí)，通過改變行車速度來考察橋梁振動特性及變形特征。

表5 橋梁測試工況統(tǒng)計(jì)表

5.2 靜載試驗(yàn)測試結(jié)果

5.2.1 橋梁結(jié)構(gòu)撓度測試

試驗(yàn)列車荷載作用下，跨中撓度實(shí)測值及校驗(yàn)系數(shù)見表6，將實(shí)測主桁撓度按彈性階段換算至中-活載作用結(jié)果，左側(cè)最大撓跨比為 1/1 868；右側(cè)最大撓跨比為 1/1 875。撓度校驗(yàn)系數(shù)分別為0.765和0.762，均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[7](下文簡稱《橋檢規(guī)》)通常值在 (0.70～0.80)之間的要求，撓跨比也小于《橋檢規(guī)》通常值 (1/1 250)的要求。

表6 跨中撓度實(shí)測值

5.2.2 主桁桿件應(yīng)力測試

通過列車荷載試驗(yàn)考察主桁桿件應(yīng)力變化，并按《橋檢規(guī)》進(jìn)行評定。在試驗(yàn)列車荷載作用下，實(shí)測跨中上弦桿應(yīng)力增量最大為-73.2 MPa，校驗(yàn)系數(shù)為 0.942；跨中下弦桿應(yīng)力增量最大為 77.26 MPa，校驗(yàn)系數(shù)為0.768；跨中斜桿應(yīng)力增量最大為44.23 MPa，校驗(yàn)系數(shù)為 0.937；縱梁應(yīng)力增量最大為104.61 MPa，校驗(yàn)系數(shù)為 0.845；橫梁應(yīng)力增量最大為135.05 MPa，校驗(yàn)系數(shù)為 0.925。校驗(yàn)系數(shù)均滿足《橋檢規(guī)》通常值的要求。

5.3 動載試驗(yàn)測試結(jié)果

5.3.1 橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅

圖12 列車通過時(shí)跨中橫向振幅與速度關(guān)系圖

試驗(yàn)運(yùn)營列車作用下，實(shí)測跨中橫向振動幅度隨列車運(yùn)行速度的提升而增大，在速度為50 km/h時(shí)振動幅度最大，振幅值為 1.96 mm(如圖12所示)，滿足《橋檢規(guī)》關(guān)于橫向剛度通常值[Amax]5%(≤2.53 mm) 的限制要求和橫向振幅安全限值[Amax]5%(≤4.92 mm)的要求。

5.3.2 橋跨結(jié)構(gòu)橫向加速度

試驗(yàn)列車過橋時(shí)，實(shí)測跨中橫向振動加速度最大值為 1.28 m/s2，滿足《橋檢規(guī)》關(guān)于橫向加速度(≤1.40 m/s2) 的限值要求。

5.3.3 橋跨結(jié)構(gòu)振動頻率

通過振動特性試驗(yàn)分析，得出該橋?qū)崪y橫向振動頻率為 5.08 Hz，豎向振動頻率為 7.23 Hz。滿足《橋檢規(guī)》關(guān)于實(shí)測橫向最低自振頻率通常值(≥2.81 Hz)的限值要求和空載貨車(或混編貨車)通過時(shí)車輪抗脫軌安全度橫向自振頻率 (≥3.13 Hz) 的限值要求。

5.3.4 墩頂橫向振幅

試驗(yàn)運(yùn)營列車作用下，墩頂橫向振動幅度均隨列車速度提升而增大，且下行列車引起的橫向振幅稍大于上行列車。在下行列車速度為55 km/h時(shí)，1#墩墩頂橫向振動幅度最大，振幅值為 0.26 mm(如圖13所示)； 在下行列車速度為60 km/h時(shí)，2#墩墩頂橫向振動幅度最大，振幅值為 0.22 mm(如圖14所示)。均滿足《橋檢規(guī)》中墩頂橫向振幅通常值 (≤0.49 mm) 的限值要求。

圖13 列車通過時(shí)1#墩橫向振幅與速度關(guān)系圖

圖14 列車通過時(shí)2#墩橫向振幅與速度關(guān)系圖

6 結(jié)論

營運(yùn)線鋼桁架橋梁弦桿出現(xiàn)損傷后，對結(jié)構(gòu)受力行為影響是一個值得研究的問題。通過仿真計(jì)算，詳細(xì)研究了受損弦桿對主桁架內(nèi)力的影響，表明當(dāng)一側(cè)下弦桿由于碰撞嚴(yán)重受損后，主桁架會出現(xiàn)內(nèi)力重分布，即受損側(cè)主桁桿件會卸載，另一側(cè)桿件內(nèi)力會增加，即使在對稱荷載作用下兩主桁架受力也不再對稱。這一變化會加劇橋梁桿件劣化趨勢，應(yīng)引起養(yǎng)護(hù)部門重視。通過對大萊龍鐵路辛沙公路1#中橋弦桿更換施工、有限元模型分析及靜動載試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

(1)采用有限元軟件建立桁架橋空間模型能夠很好模擬施工過程中桁架各桿件內(nèi)力的變化，可以追蹤施工過程影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對施工過程控制的精細(xì)化管理，避免施工出現(xiàn)安全事故，為施工方案可行性提供依據(jù)。

(2)從動載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，列車軸重及行駛速度是影響橋跨結(jié)構(gòu)及橋墩振幅的重要因素。隨著速度的提高，橋跨跨中、橋墩墩頂橫向振幅均會同步增加，表明動力因素是影響橋梁橫向剛度的主要因素。

(3)通過橋梁靜動載試驗(yàn)測試表明,該受損弦桿32 m 跨度鐵路簡支鋼桁梁橋，經(jīng)過更換桿件維修后，其強(qiáng)度、剛度及橫向整體穩(wěn)定性等均能滿足設(shè)計(jì)及使用要求，橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)恢復(fù)良好。

橋梁檢測與加固是一項(xiàng)專業(yè)性較強(qiáng)的工作，在橋梁生命周期內(nèi)十分重要，尤其對既有線鐵路橋梁，已經(jīng)營運(yùn)多年，隨著荷載等級和列車速度的增加，以及特殊原因造成的損傷都會增加營運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)。通過橋梁檢測及模擬分析，對其營運(yùn)安全性能做出準(zhǔn)確評估，可以為設(shè)計(jì)可行的加固方案提供依據(jù)?；趯?shí)例分析，詳細(xì)闡述了鋼桁架橋的桿件更換過程模擬分析及靜動載試驗(yàn)結(jié)果，以期為今后類似結(jié)構(gòu)橋梁的加固改造和維修管理提供借鑒。