某钢桥加固技术研究

2010-09-04胡京涛

铁道建筑 2010年12期

胡京涛

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

某跨度为42 m铁路上承式钢桁梁由两片主桁和上下平纵联组成，在提速试验过程中，发现存在着横向刚度不足的问题，当空载货车以60～80 km/h速度通过时，跨中最大横向振幅达到了13 mm，超过《铁路桥梁检定规范》的参考限值，严重影响提速列车的运行安全。

1 加固机理

桥梁振动是桥上运行列车引起的外激振动，其振动响应的大小与外界激励的大小和桥梁本身抵抗变形的能力有关。车桥系统横向振动在桥梁上直接反映为桥梁的横向振幅和振动频率。根据车桥系统振动理论，列车、桥梁和墩台是相互作用和相互制约的关系。实测数据和理论分析表明，在列车作用下，车桥振动响应主要取决于桥梁状态，在提速与重载状态下桥梁的主要问题是车、桥横向振动问题，对桥梁来说就是要提高横向刚度，必须提高桥梁横向振动的自振频率，并降低横向振动的振幅，即降低横向挠跨比。

简支梁的横向自振频率的计算

式中 l——简支梁跨度，m;

EI—桥梁横向抗弯刚度，N·m2;

m—桥梁单位长度质量，kg/m。

由简支梁的自振频率计算公式可知，要提高梁体自振频率可以加大桥梁横向抗弯刚度，而提高桥梁的横向抗弯刚度，是既有线桥梁的主要加固方式。

钢桁梁左右两片主桁之间有足够的连接强度，才能确保两片主桁成为一个主体共同受力，钢桁梁的横向抗弯刚度I的计算公式为

式中 β——平纵联连接强度、桥面系对主桁的影响系数;

b——两片主桁的横向中心距，m;

Ae——同一截面上、下弦杆的面积之和，m2。式(2)中不计平纵联杆件本身对主轴的等效惯性矩。由式(2)可知，加强两片主桁间的平纵联连接、加大主桁上、下弦杆横截面均能提高钢桁梁的横向刚度。

2 加固措施及加固方案

既有桥梁宽跨比已经确定，提高横向刚度的主要方法是提高横向自振频率，以降低横向振幅，加固方法有:①上、下平纵联斜杆，下平纵联横杆加固;②横联加固;③体外预应力加固;④对主桁上弦外侧人行道进行改造;⑤主桁上、下弦杆加固。

根据上述钢桁梁横向加固措施，针对该钢桁梁的特点，提出以下加固方案，见表1。

3 加固方案分析与研究

3.1 计算模型的建立

跨度42 m铁路上承式钢桁梁是由两片主桁，上、下平纵联，横联和顶梁组成的一个复杂的空间体系。计算跨度42.20 m，主桁中心距3.50 m，梁高4.64 m，节间为4.22 m，每节间设置一个横联，横联截面尺寸为100 mm×100 mm×10 mm。主桁杆件宽度为420 mm，主桁杆件均采用焊接H型。联结系为上下平纵联，采用交叉型，焊接 T型断面，翼板 180 mm×10 mm，腹板为150 mm×10 mm。桥面系采用纵横梁，采用焊接I形对称截面，纵梁高540 mm，纵梁中心距2 m。针对该桥梁分别采用大型通用有限元软件

表1 加固方案

ANSYS、MIDAS对栓焊上承式桁梁的空间自振特性进行了分析。其中:ANSYS模型采用SHELL181壳单元建模(见图1)，MIDAS模型采用空间梁单元建模(见图2)。全桥支座按简支梁进行约束。

图1 ANSYS计算分析模型

3.2 各加固方案对比分析

根据该栓焊上承式钢桁梁不同的加固方案，利用有限元分析软件 ANSYS，对各方案进行自振频率分析，分析结果见表2。

图2 MIDAS计算分析模型

表2 加固效果比较

由表2可以看出:

1)通过方案4、方案5、方案6的自振特性比较(分别是4.219 5，4.261 4，4.261 4 Hz)可以得出:部分加固平联和全部加固平联效果差别并不明显;

2)由方案1(3.739 5 Hz)和方案2(3.757 1 Hz)的比较可以得到在第一阶横向自振频率方面部分加固略优于全部加固;

3)由方案4(4.219 5 Hz)和方案11(4.162 3 Hz)的比较可以得到在全部加固平联斜杆的基础上加固下平联横杆在第一阶横向自振频率方面略小于仅加固平联斜杆。由方案11(4.162 3 Hz)和方案12(4.147 1 Hz)的比较，在加固平联的基础上加固所有的横联在第一阶横向自振频率方面略小于仅加固端部横联;

4)以方案6和方案8为例，方案6提高16.01%，方案8提高14.56%，效果不错。

5)施加体外预应力加固钢桁梁横向刚度是一个很新颖的措施，虽然效果不是很明显，但施工工艺成熟，后期维护方便，量小，自重轻，不影响行车。通过ANSYS算得所加预应力筋越多，效果越好。

6)人行道改造是对上弦外侧的人行道进行改造，间接地增加了主桁的宽度和刚度。由方案13(4.486 7 Hz)和方案 14(4.349 2 Hz)可得，方案 13自振频率增加了22.14%，方案14增加了18.39%，方案13加固效果明显，且方案14施工繁杂。