下承式鋼桁梁橋評估和橫向剛度加固設(shè)計

蘇乾坤

(蘭州理工大學(xué)理學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

下承式鋼桁梁橋評估和橫向剛度加固設(shè)計

蘇乾坤

(蘭州理工大學(xué)理學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

通過對一座既有鋼桁梁橋主要受力桿件的計算分析可知，上弦桿、下弦桿、斜腹桿及豎桿的承載系數(shù)K值為1.16～4.08，具有較大的安全儲備。但H2、B3節(jié)點(diǎn)板抗剪切強(qiáng)度和B3、H4和H6抗撕裂強(qiáng)度不足，采取在原節(jié)點(diǎn)板處外貼12 mm厚的Q235q鋼板，其抗剪切強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度均滿足要求。增大下平縱聯(lián)、端橫聯(lián)及中間橫聯(lián)面積，橋梁自振頻率均提高6.6 %～24.3 %，跨中梁體橫向振幅明顯減小，橋梁屈曲特性指標(biāo)滿足列車安全走行性要求。

下承式； 鋼桁梁橋； 評估； 橫向剛度； 加固設(shè)計

鋼橋構(gòu)件憑借其強(qiáng)度高、跨越能力大、安裝速度快、便于運(yùn)輸、最適于工業(yè)化制造、構(gòu)件易于維修和更換等優(yōu)點(diǎn)[1]，在鐵路線路跨越河流、山谷等障礙物時，橋梁工程師越來越多考慮鋼橋作為跨越這些障礙物較優(yōu)的選擇。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有鐵路鋼橋3 300多座，其中將近一半橋梁建造于20世紀(jì)五六十年代，而且絕大多數(shù)橋梁為中小跨度的橋梁，其中跨度小于32 m的鋼橋約占鋼橋總數(shù)的70 %。鑒于我國目前鐵路運(yùn)營速度不斷提高、交通運(yùn)量迅速增長、行車密度日益增加、運(yùn)輸荷載逐漸加大等現(xiàn)狀，現(xiàn)役鋼橋中的部分橋梁已不能滿足車輛提速后的安全運(yùn)營需求。為了能夠適應(yīng)當(dāng)前和今后鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠運(yùn)營要求，對存在安全隱患的既有鋼橋進(jìn)行加固維修迫在眉睫。本文以一座下承式鋼桁梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，初步探討該類型橋梁承載能力評估及加固方法，為橋梁的維修、加固及管理提供技術(shù)依據(jù)。

1 既有鋼橋加固研究現(xiàn)狀

在列車運(yùn)行速度的不斷提高、載貨量不斷增加的背景下，如何行之有效的判別既有鐵路鋼桁架梁橋是否滿足目前列車走行性的安全要求顯得尤其重要。松浦章夫[2]假定靜活載產(chǎn)生的橋梁豎向撓度為正弦半波，用半個車輛作計算模型，以不同速度通過連續(xù)布置的簡支梁橋，研究車輛與橋梁體系的非定常振動及定常振動，求出車體豎向振動加速度和輪重減少率，進(jìn)而確定橋梁的豎向撓度限制值。李國豪[3]指出對于桁梁橋，控制橫向剛度要求的不是側(cè)傾穩(wěn)定，而是橫向振動。郭向榮等[4]提出鋼桁梁橋橫向剛度限值-容許極限寬跨比B/L計算原理，對連續(xù)鋼桁梁橋的橫向剛度進(jìn)行分析，并取得良好效果。目前，針對既有鋼橋加固的方法主要有：維持原結(jié)構(gòu)受力體系法(如加大構(gòu)件截面、采用新材料等)、改變結(jié)構(gòu)受力體系法(簡支變連續(xù)、施加體外預(yù)應(yīng)力、增加主桁片、增加支墩、施加斜拉索等)[5-6]。顧萍等[7]指出下承式鋼桁架梁橋易采用增大下平縱聯(lián)截面尺寸的加固方式用來改善橋梁橫向振動。劉守龍[8]認(rèn)為對于下承式鋼桁梁宜采取增強(qiáng)橋門架剛度及上平聯(lián)桿件垂直面剛度的措施提高橋梁的橫向剛度。在加固設(shè)計時，需依據(jù)橋梁實(shí)際狀況，因地制宜，選擇合理有效的加固方式。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程簡介

該橋位于甘肅省蘭州市境內(nèi)，是一座為跨越黃河而修建的下承式簡支鋼桁架單線鐵路橋。鋼桁梁橋由兩片主桁架組成，其間距5.784 m，桁架高8.5 m。主桁端部設(shè)置端橫聯(lián)，中間豎桿位置處分別設(shè)置中橫聯(lián)。該橋每孔由12節(jié)間構(gòu)成，節(jié)間長度均為5.5 m。橋面系采用縱橫梁體系，即自端部起，在每個下弦桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置高度為1.21 m的鋼橫梁。同時，在鋼橫梁上設(shè)置縱梁，其間距為2 m，梁高1.21 m。該鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)見圖1。橋上線路為單線、平坡、直線，設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)：中-22級，墩臺中-22級，抗震設(shè)防烈度8度，墩臺為沉井基礎(chǔ)。

圖1 鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)

2.2 承載能力評定

由規(guī)范[9]可知，通過檢定橋梁構(gòu)件的承載系數(shù)K，可判斷其承載力是否滿足列車走行性要求。對于桁架梁橋，需要對桿件截面的強(qiáng)度及穩(wěn)定、連接及接頭的強(qiáng)度等進(jìn)行檢算，以確定其承載能力是否滿足要求。

2.2.1 主桁桿件

主桁桿件的承載系數(shù)計算結(jié)果如下表1所示。由表1可知，主桁架的上弦桿、下弦桿、斜腹桿及豎桿的承載系數(shù)K取值范圍為1.16～4.08，均大于1，表明主桁架各桿件的承載能力滿足規(guī)范要求，且具有較大的安全儲備。

表1 主桁桿件的承載系數(shù)計算結(jié)果

2.2.2 節(jié)點(diǎn)板

在鋼桁梁橋中，節(jié)點(diǎn)板是把交匯在節(jié)點(diǎn)處的各桿件聯(lián)結(jié)為一個整體，起到重要的傳力作用。通過合理設(shè)計，使節(jié)點(diǎn)板具有可靠的連接性能，對整個結(jié)構(gòu)整體性、可靠度以及后期的安全運(yùn)營尤為重要。節(jié)點(diǎn)板作為各桿件的連接件，受力十分復(fù)雜，檢算時主要對節(jié)點(diǎn)板抗撕裂強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)中心豎向截面法向應(yīng)力強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)板水平抗剪強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)計算分析。

(1)節(jié)點(diǎn)板抗撕裂強(qiáng)度檢算。根據(jù)節(jié)點(diǎn)板開孔位置，對可能撕裂的最危險截面進(jìn)行計算，部分節(jié)點(diǎn)板抗撕裂強(qiáng)度計算結(jié)果見表2所示。由表2可知，節(jié)點(diǎn)板B3與 B3H4桿連接一側(cè)存在一個可能撕裂面的凈截面抗撕裂強(qiáng)度小于該桿件凈截面強(qiáng)度的1.1倍，故不滿足要求。同時，節(jié)點(diǎn)板H4和節(jié)點(diǎn)板H6也存在抗撕裂強(qiáng)度不足。因此，需對節(jié)點(diǎn)板B3、H4、H6節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行加固處治。

(2)節(jié)點(diǎn)中心豎向截面法向應(yīng)力強(qiáng)度檢算。節(jié)點(diǎn)中心處豎向截面法向應(yīng)力承載力系數(shù)為1.88～2.51，均大于1，滿足規(guī)范要求。

(3)節(jié)點(diǎn)板水平抗剪強(qiáng)度檢算。節(jié)點(diǎn)板H2、B3的水平剪應(yīng)力檢定承載系數(shù)分別為0.42、0.81，其余節(jié)點(diǎn)板的水平剪應(yīng)力檢定承載系數(shù)均大于1。因此，節(jié)點(diǎn)板 H2、B3的水平抗剪強(qiáng)度不足，需要加固。

表2 節(jié)點(diǎn)板抗撕裂強(qiáng)度計算結(jié)果

2.2.3 縱橫梁

橫梁為橫向受彎構(gòu)件，與橋面板共同承受橋面荷載作用，縱梁為橫梁提供彈性支撐，使得列車荷載經(jīng)由縱梁傳至橫梁，再通過橫梁傳至主桁節(jié)點(diǎn)?？v橫梁承受的局部荷載較大，需要對縱橫梁彎曲力矩、剪力、穩(wěn)定性等進(jìn)行承載力檢算。由于篇幅有限，在此僅列舉縱橫梁梁端連接檢算結(jié)果。

(1)橫梁(β=1.1)

k(λ=16, a0=0.5)=119.4×1.5=179.1

(2)縱梁(β=1.2)

k(λ=16, α0=0.5)=119.4×1.5=179.1

橫梁與主桁連接處承載力滿足要求。

2.2.4 主桁平縱聯(lián)接系長細(xì)比

主梁聯(lián)結(jié)系桿件的長細(xì)比的計算結(jié)果見表3所示。由表3可知，上下平縱聯(lián)接系的長細(xì)比均小于規(guī)范[9]縱向聯(lián)結(jié)系、支點(diǎn)外橫向聯(lián)結(jié)系、制動聯(lián)結(jié)系容許最大長細(xì)比為130、中間橫向聯(lián)結(jié)系容許最大長細(xì)比為150的要求。

表3 上下平縱聯(lián)接系長細(xì)比

3 動力測試

隨著運(yùn)輸量的增加，列車過橋時該橋的橫向振動較為明顯，在一定程度上危及行車安全。結(jié)合該橋的既有現(xiàn)狀，對該橋進(jìn)行動力試驗(yàn)測試，判斷該橋梁能否繼續(xù)滿足目前鐵路安全行駛要求。利用編組試驗(yàn)車以同一速度級通過橋梁，在鋼桁梁下弦桿跨中布置橫向振幅測點(diǎn)，實(shí)測橋跨跨中的最大橫向振幅，并結(jié)合振動時程曲線，判定橋梁狀態(tài)。該鋼桁梁橫向振動實(shí)測典型波形見圖2、圖3。鋼桁梁跨中橫向振幅分析結(jié)果見表4所示。

圖3 鋼桁梁振動波形(上行13.9 km/h)

表4 鋼桁梁跨中橫向振幅計算結(jié)果

通過對該橋橫向振動典型實(shí)測波形分析可知：該橋跨中橫向振幅未超出行車安全限值L/5500(即12.000 mm)；試驗(yàn)貨車正常通過時，鋼桁梁跨中的實(shí)測振幅值的上限略微超出最大振幅通常值(即2.995 mm)。因此，需要對該橋的橫向剛度進(jìn)行加固處理，以便滿足列車安全運(yùn)營要求。

4 加固設(shè)計

4.1 節(jié)點(diǎn)板加固設(shè)計

針對H2、B3處節(jié)點(diǎn)板抗剪切強(qiáng)度和B3、H4和H6抗撕裂強(qiáng)度不足的現(xiàn)狀，采取在原節(jié)點(diǎn)板處外貼厚度為12 mm的Q235q鋼板，其形狀、栓孔等均與原節(jié)點(diǎn)板保持一致，便于加固施工、后期維修養(yǎng)護(hù)。

加固后H2節(jié)點(diǎn)板的剪應(yīng)力：

加固后B3節(jié)點(diǎn)板的剪應(yīng)力：

加固后抗撕裂強(qiáng)度：

519.36[σ]>1.1Aj[σ]=225.4 [σ]

加固后H4和H6抗撕裂強(qiáng)度：

448.92[σ]>1.1Aj[σ]=222.4 [σ]

通過加固設(shè)計，節(jié)點(diǎn)板抗剪切強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度均滿足要求，取得良好的加固效果。

4.2 鋼桁梁橫向加固設(shè)計

通過該橋動力加載實(shí)測結(jié)果分析可知，橋梁橫向振動過大的主要原因是由于梁體的橫向自振頻率與貨物列車運(yùn)行時的蛇形運(yùn)動頻率接近，導(dǎo)致列車過橋時橋梁出現(xiàn)較大的橫向振幅。采用增大梁體橫向剛度的加固方法，以提高橋梁橫向振動頻率，減小列車過橋時橋梁的橫向振幅。加固措施：下平縱聯(lián)角鋼2∠100×75×8變換成2∠200×125×18。即2塊角鋼外側(cè)各加1塊變截面角鋼與原角鋼鑲嵌在一起，厚度為10mm和18mm的鋼板(合并為2∠200×125×18，Q235q)。下平縱聯(lián)加固方式如圖4(陰影部分為加固前的桿件，外側(cè)構(gòu)件為加固鋼板)。同時，在原橋每隔1個節(jié)點(diǎn)設(shè)置1個中間橫聯(lián)的基礎(chǔ)上增加和橋門架(中間橫聯(lián))一致的橫向連接系，提高橋梁橫向整體剛度。即在H2B2、H4B4、H6B6桿件內(nèi)側(cè)增加一塊厚度為10mm寬度為100mm的鋼板(Q235q)，橫向連接系加固見圖5所示。

圖4 下平縱聯(lián)加固(cm)

圖5 桿件H2B2、H4B4、H6B6加固(cm)

結(jié)合該橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和加固前后的構(gòu)件截面特性，采用有限元仿真分析軟件Midas/Civil建立該鋼桁梁橋梁單元全橋模型，見圖6所示。結(jié)合該線路列車編組運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行加載，對該橋加固前后的穩(wěn)定性進(jìn)行屈曲特性分析。該橋加固前后橋梁橫向自振頻率見表5。通過對加固前后橋梁橫向自振頻率對比可知：加固后，橋梁的前5階自振頻率均得到提高，提高系數(shù)為6.6 %～24.3 %，表明加固后該橋自振頻率得到顯著提高，跨中橫向振幅明顯減小，橋梁屈曲特性指標(biāo)滿足列車安全走行性要求。

圖6 鋼鋼桁梁橋有限元模型

表5 加固前后橫向自振頻率對比

5 結(jié)束語

通過詳細(xì)的計算分析可知，該鋼桁梁橋主桁架、縱橫梁受力特性良好，主桁平縱聯(lián)接系長細(xì)比滿足規(guī)范要求。但在H2、B3處節(jié)點(diǎn)板抗剪切強(qiáng)度和B3、H4和H6抗撕裂強(qiáng)度存在不足，采取在原節(jié)點(diǎn)板處外貼12 mm厚Q235q鋼板，其形狀、栓孔等均與原節(jié)點(diǎn)板保持一致，加固后節(jié)點(diǎn)板強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。動力試驗(yàn)表明：該橋跨中橫向振幅未超出行車安全限值L/5500(即12.000 mm)；但當(dāng)試驗(yàn)貨車正常通過時，鋼桁梁跨中實(shí)測振幅值的上限超出最大振幅通常值(2.995 mm)。通過加大下平縱聯(lián)、端橫聯(lián)和中間橫聯(lián)面積的方式，提高橋梁橫向整體剛度，使得橋梁前5階自振頻率均得到提高，提高系數(shù)為6.6 %～24.3 %，表明該加固后橋梁自振頻率顯著提高，跨中橫向振幅明顯減小，橋梁屈曲特性指標(biāo)滿足列車安全走行性要求，達(dá)到預(yù)期的加固要求。因此，采用常規(guī)檢測、動力試驗(yàn)以及仿真分析相結(jié)合的方式對下承式鋼桁梁橋的承載能力進(jìn)行綜合性評估是一種行之有效的手段，也為后期橋梁養(yǎng)護(hù)、維修提供一定的技術(shù)參考。

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蘇乾坤(1990～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄涸u估與健康監(jiān)測。

U445.7+2

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[定稿日期]2016-08-09