某鋼橋加固技術(shù)研究

胡京濤

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

某跨度為42 m鐵路上承式鋼桁梁由兩片主桁和上下平縱聯(lián)組成，在提速試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)存在著橫向剛度不足的問題，當(dāng)空載貨車以60～80 km/h速度通過時(shí)，跨中最大橫向振幅達(dá)到了13 mm，超過《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的參考限值，嚴(yán)重影響提速列車的運(yùn)行安全。

1 加固機(jī)理

橋梁振動(dòng)是橋上運(yùn)行列車引起的外激振動(dòng)，其振動(dòng)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有關(guān)。車橋系統(tǒng)橫向振動(dòng)在橋梁上直接反映為橋梁的橫向振幅和振動(dòng)頻率。根據(jù)車橋系統(tǒng)振動(dòng)理論，列車、橋梁和墩臺(tái)是相互作用和相互制約的關(guān)系。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析表明，在列車作用下，車橋振動(dòng)響應(yīng)主要取決于橋梁狀態(tài)，在提速與重載狀態(tài)下橋梁的主要問題是車、橋橫向振動(dòng)問題，對(duì)橋梁來說就是要提高橫向剛度，必須提高橋梁橫向振動(dòng)的自振頻率，并降低橫向振動(dòng)的振幅，即降低橫向撓跨比。

簡(jiǎn)支梁的橫向自振頻率的計(jì)算

式中 l——簡(jiǎn)支梁跨度，m;

EI—橋梁橫向抗彎剛度，N·m2;

m—橋梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m。

由簡(jiǎn)支梁的自振頻率計(jì)算公式可知，要提高梁體自振頻率可以加大橋梁橫向抗彎剛度，而提高橋梁的橫向抗彎剛度，是既有線橋梁的主要加固方式。

鋼桁梁左右兩片主桁之間有足夠的連接強(qiáng)度，才能確保兩片主桁成為一個(gè)主體共同受力，鋼桁梁的橫向抗彎剛度I的計(jì)算公式為

式中 β——平縱聯(lián)連接強(qiáng)度、橋面系對(duì)主桁的影響系數(shù);

b——兩片主桁的橫向中心距，m;

Ae——同一截面上、下弦桿的面積之和，m2。式(2)中不計(jì)平縱聯(lián)桿件本身對(duì)主軸的等效慣性矩。由式(2)可知，加強(qiáng)兩片主桁間的平縱聯(lián)連接、加大主桁上、下弦桿橫截面均能提高鋼桁梁的橫向剛度。

2 加固措施及加固方案

既有橋梁寬跨比已經(jīng)確定，提高橫向剛度的主要方法是提高橫向自振頻率，以降低橫向振幅，加固方法有:①上、下平縱聯(lián)斜桿，下平縱聯(lián)橫桿加固;②橫聯(lián)加固;③體外預(yù)應(yīng)力加固;④對(duì)主桁上弦外側(cè)人行道進(jìn)行改造;⑤主桁上、下弦桿加固。

根據(jù)上述鋼桁梁橫向加固措施，針對(duì)該鋼桁梁的特點(diǎn)，提出以下加固方案，見表1。

3 加固方案分析與研究

3.1 計(jì)算模型的建立

跨度42 m鐵路上承式鋼桁梁是由兩片主桁，上、下平縱聯(lián)，橫聯(lián)和頂梁組成的一個(gè)復(fù)雜的空間體系。計(jì)算跨度42.20 m，主桁中心距3.50 m，梁高4.64 m，節(jié)間為4.22 m，每節(jié)間設(shè)置一個(gè)橫聯(lián)，橫聯(lián)截面尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。主桁桿件寬度為420 mm，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 mm×10 mm，腹板為150 mm×10 mm。橋面系采用縱橫梁，采用焊接I形對(duì)稱截面，縱梁高540 mm，縱梁中心距2 m。針對(duì)該橋梁分別采用大型通用有限元軟件

表1 加固方案

ANSYS、MIDAS對(duì)栓焊上承式桁梁的空間自振特性進(jìn)行了分析。其中:ANSYS模型采用SHELL181殼單元建模(見圖1)，MIDAS模型采用空間梁?jiǎn)卧?見圖2)。全橋支座按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行約束。

圖1 ANSYS計(jì)算分析模型

3.2 各加固方案對(duì)比分析

根據(jù)該栓焊上承式鋼桁梁不同的加固方案，利用有限元分析軟件 ANSYS，對(duì)各方案進(jìn)行自振頻率分析，分析結(jié)果見表2。

圖2 MIDAS計(jì)算分析模型

表2 加固效果比較

由表2可以看出:

1)通過方案4、方案5、方案6的自振特性比較(分別是4.219 5，4.261 4，4.261 4 Hz)可以得出:部分加固平聯(lián)和全部加固平聯(lián)效果差別并不明顯;

2)由方案1(3.739 5 Hz)和方案2(3.757 1 Hz)的比較可以得到在第一階橫向自振頻率方面部分加固略優(yōu)于全部加固;

3)由方案4(4.219 5 Hz)和方案11(4.162 3 Hz)的比較可以得到在全部加固平聯(lián)斜桿的基礎(chǔ)上加固下平聯(lián)橫桿在第一階橫向自振頻率方面略小于僅加固平聯(lián)斜桿。由方案11(4.162 3 Hz)和方案12(4.147 1 Hz)的比較，在加固平聯(lián)的基礎(chǔ)上加固所有的橫聯(lián)在第一階橫向自振頻率方面略小于僅加固端部橫聯(lián);

4)以方案6和方案8為例，方案6提高16.01%，方案8提高14.56%，效果不錯(cuò)。

5)施加體外預(yù)應(yīng)力加固鋼桁梁橫向剛度是一個(gè)很新穎的措施，雖然效果不是很明顯，但施工工藝成熟，后期維護(hù)方便，量小，自重輕，不影響行車。通過ANSYS算得所加預(yù)應(yīng)力筋越多，效果越好。

6)人行道改造是對(duì)上弦外側(cè)的人行道進(jìn)行改造，間接地增加了主桁的寬度和剛度。由方案13(4.486 7 Hz)和方案 14(4.349 2 Hz)可得，方案 13自振頻率增加了22.14%，方案14增加了18.39%，方案13加固效果明顯，且方案14施工繁雜。

4 結(jié)論

提速狀態(tài)下既有橋梁病害整治及加固是提速地段橋梁改造的重點(diǎn)工作，關(guān)系到既有橋梁的使用壽命，本文對(duì)該上承式鋼桁梁橫向剛度不足提出加固方案和加固效果分析，為確保提速列車的運(yùn)行安全和橋梁的運(yùn)營(yíng)安全提供理論依據(jù)，對(duì)國(guó)內(nèi)類似橋梁的病害整治有一定的借鑒和參考意義。

［1］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.

［2］周智輝，曾慶元，向俊.橋梁橫向剛度對(duì)列車走行安全性的影響［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2005，2(2):30-33.

［3］曹雪琴.鋼桁梁橋橫向振動(dòng)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1991.

［4］李小珍.列車—橋梁系統(tǒng)耦合振動(dòng)理論及應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2000.

［5］朱利明，劉華.鐵路輕型雙柱式橋墩改造研究［J］.鐵道建筑，2009(4):19-24.