64m栓焊鋼桁梁重載適應(yīng)性分析及強(qiáng)化對策

崔鑫，王麗，趙欣欣

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

64m栓焊鋼桁梁重載適應(yīng)性分析及強(qiáng)化對策

崔鑫，王麗，趙欣欣

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

根據(jù)神華鐵路既有路網(wǎng)擴(kuò)能改造計(jì)劃，將在朔黃鐵路規(guī)?；_行2萬t重載列車，達(dá)到年運(yùn)量4 億t及以上的生產(chǎn)目標(biāo)。發(fā)展重載運(yùn)輸須研究既有橋梁的重載適應(yīng)性問題。本文通過對重載列車作用下既有64 m栓焊鋼桁梁在承載能力適應(yīng)性和疲勞累積損傷的分析、計(jì)算，提出在軸重30 t列車作用下既有64 m鋼桁梁的薄弱環(huán)節(jié)，并針對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)化改造措施研究，提出了強(qiáng)化對策。

重載 鋼橋疲勞 加固措施

由于世界各國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營條件、技術(shù)裝備水平不同，發(fā)展重載運(yùn)輸?shù)闹埸c(diǎn)并不一樣，從國際重載鐵路的發(fā)展趨勢看，提高軸重是增加列車運(yùn)量的主要措施之一。我國既有鐵路橋涵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是適應(yīng)軸重25 t及以下的運(yùn)營車型，而此次朔黃重載鐵路計(jì)劃開行軸重30 t及以上的重載列車。重載運(yùn)輸不同于列車提速，隨著列車軸重和行車密度的增加，對既有鋼橋的直接影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:承載能力和疲勞壽命。由于運(yùn)營活載的進(jìn)一步增大，使得既有活載儲備降低，同時(shí)車輛軸重和運(yùn)營頻次的提高，增加了橋梁的疲勞累積損傷，尤其對于小跨度或影響線較短的梁跨或構(gòu)件，其在重載運(yùn)輸條件下的疲勞問題更為突出。因此為保證大軸重運(yùn)輸條件下的運(yùn)營安全，本文依托國家科技支撐課題“軸重30 t以上煤炭運(yùn)輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制之任務(wù)七——重載鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)化改造技術(shù)研究”，對朔黃鐵路既有64 m栓焊鋼桁梁進(jìn)行了重載適應(yīng)性分析及強(qiáng)化對策研究，提出重載條件下鋼梁的薄弱環(huán)節(jié)及強(qiáng)化對策。

1 橋梁概況

朔黃線上共計(jì)兩座鋼桁梁橋，分別為64 m單線鋼桁梁和64 m雙線鋼桁梁，見圖1。均為按中—活載設(shè)計(jì)的栓焊鋼桁梁，主桁、橋面系、橫聯(lián)、上下平縱聯(lián)等用鋼均采為16Mnq，節(jié)間長8 m，桁高11 m，主桁中心距分別為5.75 m(單線)和9.732 m(雙線)。線路開通以來，線上運(yùn)營列車主要以C64K，C70，C80車輛統(tǒng)一編組列車為主。

圖1 跨度64 m栓焊鋼桁梁橋概貌

2 既有橋重載適應(yīng)性分析

2.1 承載能力適應(yīng)性分析

根據(jù)橋梁構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定設(shè)計(jì)計(jì)算公式，歸納推導(dǎo)出重載列車荷載通過橋梁時(shí)荷載的動效應(yīng)與橋梁按照當(dāng)初設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的動效應(yīng)的對比公式，在相同設(shè)計(jì)安全度條件下，若滿足式(1)，則認(rèn)為該跨度橋梁在強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定檢算方面能夠滿足安全通行重載列車的要求。

式中:k重，k設(shè)分別為重載列車、設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)的換算均布荷載;1+μ重，1+μ設(shè)分別為重載列車運(yùn)營動力系數(shù)，設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)動力系數(shù)。

64 m栓焊鋼桁梁按通用設(shè)計(jì)圖制造［1－2］，材質(zhì)16Mnq，設(shè)計(jì)荷載中—活載，計(jì)算荷載圖式見圖2(a)［3］。主桁上、下弦桿截面采用焊接H形，除雙線橋腹桿E0A1和A3E2采用箱形桿件外，其余均采為H形，見圖3。

承載能力適應(yīng)性分析中分別采用了平面計(jì)算和空間計(jì)算兩種方式，計(jì)算在欲開行的軸重30 t車輛組成的列車荷載作用下橋梁的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、連接構(gòu)造的承載能力適應(yīng)性。兩種方式的計(jì)算結(jié)果基本一致，平面計(jì)算值略大于空間模型計(jì)算值。考慮到橋梁設(shè)計(jì)時(shí)為平面計(jì)算，本文中僅提取平面計(jì)算數(shù)值。計(jì)算荷載圖式見圖2(b)，在軸重30 t車輛荷載作用下，主桁構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定性在主力作用下的計(jì)算分析結(jié)果見表1和表2［4］。

圖2 計(jì)算荷載圖式(距離單位:m)

圖3 主桁輪廓

表1 主力工況下構(gòu)件強(qiáng)度檢算結(jié)果MPa

表2 主力+次應(yīng)力工況下構(gòu)件穩(wěn)定檢算結(jié)果MPa

強(qiáng)度及穩(wěn)定性的檢算結(jié)果顯示，軸重30 t車輛作用下的構(gòu)件應(yīng)力小于設(shè)計(jì)荷載作用下的構(gòu)件應(yīng)力，即說明強(qiáng)度和穩(wěn)定性不是重載適應(yīng)性的控制因素，既有橋梁在承載能力方面能夠滿足規(guī)范要求，但荷載儲備有所降低。

2.2 疲勞累積損傷的影響分析

朔黃鐵路自開通運(yùn)營以來主要開行軸重21 t，23 t以及25 t的C64K，C70，C80統(tǒng)一編組列車。若發(fā)展重載運(yùn)輸后，運(yùn)營列車的軸重將進(jìn)一步增大，運(yùn)營頻次將有所提高，根據(jù)疲勞累積損傷的定義，累積損傷的大小與疲勞應(yīng)力幅和相應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)。因此發(fā)展重載運(yùn)輸必然會對既有鋼橋的疲勞累積損傷產(chǎn)生直接影響，從而影響到鋼橋的疲勞壽命。對于跨度64 m栓焊鋼桁梁，結(jié)構(gòu)中易發(fā)生疲勞損傷的部位主要集中在橋面系縱、橫梁等影響線較短的構(gòu)件及其連接處，以及主桁受拉桿件(A1E2，E2E4，吊桿)和連接處。這些受拉構(gòu)件中有全橋受力桿件和局部受力桿件，全橋受力桿件的影響線長度為64 m，局部受力桿件的影響線長度為16 m和8 m。

為具體研究重載列車對既有鋼橋疲勞累積損傷的影響程度，采用計(jì)算分析軟件STAAD/CHINA［5］，將列車荷載轉(zhuǎn)換為由集中力組成的移動荷載列。列車荷載由橋梁一端按一定步長逐步通過橋梁，直至車尾離開橋梁另一端。提取構(gòu)件內(nèi)力，形成列車荷載通過橋梁一次在構(gòu)件中產(chǎn)生的荷載效應(yīng)歷程曲線，以分析構(gòu)件在實(shí)際列車作用下的受載特點(diǎn)。影響線長度8 m的縱梁在列車過橋一次產(chǎn)生的荷載效應(yīng)歷程曲線見圖4。

圖4 影響線長度8 m的縱梁在列車過橋一次產(chǎn)生的荷載效應(yīng)歷程曲線

荷載效應(yīng)歷程曲線明顯地呈現(xiàn)了不同長度影響線構(gòu)件在列車作用下的受載特點(diǎn)，對于全橋受力構(gòu)件來說，列車過橋一次即產(chǎn)生一個(gè)大的應(yīng)力循環(huán)，而對于局部受力構(gòu)件來說，列車過橋一次會產(chǎn)生多個(gè)應(yīng)力循環(huán)。因此，從疲勞累積損傷角度，局部受力構(gòu)件的疲勞問題將更為嚴(yán)峻，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些構(gòu)件的疲勞問題。

通過對構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞應(yīng)力截止限的檢驗(yàn)來確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能否滿足疲勞估算。按構(gòu)造細(xì)節(jié)類型以5×106次對應(yīng)的等幅應(yīng)力為門檻值，疲勞估算中實(shí)際重載列車作用下的最大應(yīng)力幅小于此門檻值時(shí)即認(rèn)為該構(gòu)件或連接能滿足疲勞估算，若最大應(yīng)力幅值大于此門檻值則認(rèn)為該構(gòu)件或連接應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行改造，以降低其應(yīng)力幅值，提高橋梁疲勞壽命。檢算按下式［6］進(jìn)行

式中:Δσsmax為由重載列車算得的最大應(yīng)力幅;α為考慮線路偏心、超載及裝載偏心等因素引起的應(yīng)力增大系數(shù)，一般取1.05;β為最大量測修正系數(shù)，取1.1; Δσce為等幅應(yīng)力截止限，按《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的規(guī)定取值，對64 m栓焊鋼桁梁，Δσce=74 MPa。

經(jīng)計(jì)算，在軸重30 t重載列車作用下，跨度64 m單線鋼桁梁及雙線鋼桁梁的疲勞估算結(jié)果見表3。疲勞估算結(jié)果顯示，主桁的受拉斜腹桿、吊桿以及橋面系的縱、橫梁疲勞應(yīng)力幅較大，已超出截止限，建議進(jìn)行適當(dāng)加固。

表3 疲勞估算結(jié)果MPa

2.3 小結(jié)

通過對跨度64 m鋼桁梁的重載適應(yīng)性分析發(fā)現(xiàn)，在軸重30 t重載列車作用下，鋼橋的強(qiáng)度和穩(wěn)定基本能夠滿足規(guī)范要求，部分受拉構(gòu)件及以拉為主的拉壓構(gòu)件疲勞問題較為突出。經(jīng)疲勞估算，斜桿A1E2、局部受力的吊桿及橋面系縱、橫梁的疲勞應(yīng)力幅超出截止限。因此，為確保大軸重運(yùn)輸條件下橋梁的安全運(yùn)營，保證橋梁使用壽命，建議對上述構(gòu)件及連接進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

3 強(qiáng)化對策研究

雖然國外重載鐵路的荷載儲備較高，但由于重載鐵路的運(yùn)輸特點(diǎn)，使得橋梁在使用期內(nèi)承受車輛豎向活載和加載循環(huán)次數(shù)的明顯增加，致使橋梁的疲勞和劣化問題不斷出現(xiàn)。因此針對這些疲勞裂紋及斷裂問題所采取的措施主要有降低結(jié)構(gòu)恒載、改善殘余應(yīng)力、降低沖擊力、更換桿件、高強(qiáng)度螺栓拼接等。

隨著加固材料和施工方法的改進(jìn)，新的加固方法也層出不窮，目前常見的鋼結(jié)構(gòu)加固方法有增大截面面積加固法、粘貼加固法(鋼板、纖維布、碳纖維等)、外部預(yù)應(yīng)力法等等［7］。而應(yīng)用于鋼橋中的加固方法多為增加構(gòu)件截面積和連接強(qiáng)度，對于桿件的加固，主要為在翼板外側(cè)用高強(qiáng)螺栓加貼鋼板［8］或粘貼碳纖維復(fù)合材料。本次強(qiáng)化改造的主要目的是有效降低重載列車作用下的疲勞應(yīng)力幅以保證橋梁使用壽命，同時(shí)考慮到鋼結(jié)構(gòu)對耐久性的要求及實(shí)際加固效果，擬采用栓接鋼板或角鋼來增大截面積的加固方法對構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)化。

4 結(jié)論

本文針對朔黃線預(yù)計(jì)開行的軸重30 t重載車輛，對其線上既有跨度64 m單線鋼桁梁和雙線鋼桁梁進(jìn)行重載適應(yīng)性分析。從計(jì)算分析結(jié)果看，在軸重30 t重載列車作用下，既有跨度64 m鋼桁梁的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性方面的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。但其疲勞累積損傷分析結(jié)果顯示，部分受拉力較大的構(gòu)件如主桁斜桿A1E2、吊桿和橋面系縱、橫梁的疲勞應(yīng)力幅較大?？紤]到鋼結(jié)構(gòu)對耐久性的要求及實(shí)際加固效果，建議對疲勞問題突出的構(gòu)件采用增加截面積的方法降低其活載作用下的應(yīng)力幅，采用現(xiàn)場打孔、高強(qiáng)度螺栓拼接鋼板或角鋼來加固主桁桿件和橋面系構(gòu)件，經(jīng)驗(yàn)證，加固效果達(dá)到預(yù)期值。

［1］中華人民共和國鐵道部.通用圖號專橋0146單線鐵路栓焊下承桁梁［Z］.北京:鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院，1987.

［2］中華人民共和國鐵道部.通用圖號專橋0159雙線鐵路栓焊下承桁梁［Z］.北京:鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院，1994.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［5］阿依艾工程軟件有限公司.STAAD/CHINA技術(shù)參考手冊［M］.大連:阿依艾工程軟件有限公司，2004.

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

［7］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTG/T J22—2008公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［8］張文敏，彭嵐平.既有線提速鋼桁梁加固與測試［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(3):23－24.

Analysis on suitability of 64 m span bolted-and-welded steel truss girder for heavy haul transport and its strengthening measures

CUI Xin，WANG Li，ZHAO Xinxin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to network expansion and reconstruction needs of Shenhua Railway，20 000 t Heavy Haul T rain will run on Shuohuang railway in large－scale，targeting annual volume more than 400 million tons.However，the development of heavy haul transportation on the existing line is related to the adaptability of the existing bridges.In the paper，adaptability of a 64 m bloted and welded steel truss girder bridge to heavy axle loads was analyzed as well as its accumulative fatigue damage.Under 30 t axle loads，the weakness of the steel truss girder was proposed.Also，the corresponding strengthening method was recommended.

Heavy axle load;Steel bridge fatigue;Strengthening measures

U448.21+1;U445.7+2

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.09

(責(zé)任審編 趙其文)

1003－1995(2015)10－0047－04

2015－04－28;

2015－07－08

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG20B00)

崔鑫(1979—)，女，副研究員，碩士。