既有线钢桁梁桥加固技术研究

文勇

(重庆市设计院 重庆 400015)

随着客货运强度的增加、列车速度的提高,部分钢桁梁桥运营情况不佳,既有线桥梁横向刚度不足的问题日益突出,其中包括钢桁梁桥横向振幅严重超限,危及铁路行车安全,部分桥梁被迫限速,这样严重制约了铁路运输能力的进一步提高。

国内学者在如何加固铁路钢桥横向刚度上做了很多研究,夏禾[1]、顾萍[2]、郭文华[3]、苏木标[4]等先后研究了钢板梁桥横向振动机理及加固技术,采用加强上下平纵联、增设第二平联、上下行两桥连接、安装阻尼器等方法加固,均取得了较好的效果。顾建新[5]、顾萍[6]等研究了既有线钢桁梁的横向刚度加固技术,认为影响既有线钢桁梁横向振幅的主要因素是桥梁横向刚度,加强两片主桁间的平纵联连接,加大主桁上、下弦杆横截面等均能有效提高钢桁梁的横向刚度,减小横向振幅。

本文运用列车—桥梁系统耦合振动分析理论和MIDAS通用有限元计算软件,采用空间杆系模型确定42m上承式钢桁梁的自振特性,然后再对该桥在空重混编货物列车、高速列车作用下的车桥耦合振动响应进行仿真分析,并结合上承式钢桁梁桥的构造,提出了切实合理的加固方案。

1 42m上承式钢桁梁概况

该栓焊上承式钢桁梁计算跨度42m,主桁中心距3.5m,梁高4.64m,节间为4.2m,每节间设置一个横联,横联截面尺寸为L100×100×10mm。主桁杆件宽度为420mm,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180×10mm,腹板为150×10mm。桥面系采用纵横梁,采用焊接I形对称截面,纵梁高540mm,纵梁中心距2m。

某大修设计所在测试其钢梁横向振幅过程中,发现该42m跨度的栓焊上承式钢桁梁横向振幅普遍超过《桥检规》[7]安全限值（6.32mm）,已严重威胁行车安全。

2 加固方案研究

2.1 加固方案理论分析

桥梁的振动是由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即桥梁的刚度有关。车桥系统横向振动在桥梁上的直接反映为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又表明：普通桥墩(非严重病害墩或非横向大柔性墩)的振动对桥梁的振动影响较小[8]。因此可以认为,在某种特定列车作用下,车桥振动响应主要取决于桥梁状态。当桥梁横向振动加剧时,桥上机车车辆的响应,如横向加速度、脱轨系数、摇摆力、轮压减载率等将随之增大,而且旅客乘坐舒适度、列车运行平稳度亦随之下降。

钢桁梁桥是由两片主桁、上下平纵联、横向联结系组成的空间体系。在横桥向主要是由主桁弦杆和平纵联及横向联结系组成的格构体系。与实腹结构相比,格构式体系缀材远不如实体腹板刚劲,横向弯曲时剪力引起的变形较大,因而横向刚度较低。为了提高钢桁梁的横向刚度,改善钢桁梁桥的横向动力特性,对既有线桥梁在不中断行车的前提下,较为有效的措施是提高桥梁横向抗弯刚度和抗扭刚度。

2.2 加固方法

对于钢桁梁桥,基本加固方法可从以下两种入手：通过增加或改变主桁的配置来加强桥梁或加强联结系来达到加固效果。针对上承式钢桁梁桥的具体特点,考虑到不中断行车的要求,常用的加固方法主要由上下平纵联加固、横向联结系加固及加强上下弦杆等三个方面组成。另外,还可采用诸如施加体外预应力、对人行道进行改造加宽等技术措施。根据上述加固方法,本桥共考虑了14种加固方案,表1中列出了加固方案的具体情况。

表1 各加固方案

3 计算模型

3.1 桥梁计算模型

对于钢桁梁桥,桥梁计算模型采用空间有限元法,每根杆件均按空间梁单元进行模拟,每个节点均有3个线位移和3个转动位移共6个自由度,二期恒载作为均布质量分配到桥面上。图1给出了有限元分析模型。

3.2 车辆计算模型

分析车辆按照客货列车分为两组：货物列车编组为1节DF4机车+5节C62重车+5节C62空车+5节C62重车+5节C62空车；旅客列车采用200 km/h动力集中型电动车组1动+5拖,其中拖车为PW-200转向架的双层客车。在车辆的计算模型中,每节车辆都视为由车体、转向架和轮对通过线性弹簧和阻尼器连接起来的多自由度振动系统,不考虑振动过程中车体、转向架构架和轮对的弹性变形；车体和转向架各有5个自由度,即横摆、侧滚、摇头、沉浮和点头；每个轮对均有横摆、摇头两处自由度。这样,对于二系悬挂的6轴机车和4轴客车,每节车的计算自由度分别为27和23。典型的四轴客车计算模型如图2,车辆的运动方程可由D’Alembert’s原理得到,文献[9]列出了具体表达式。

4 计算分析结果

4.1 各加固方案自振频率计算结果

桥梁结构的自振特性是结构动力性能的综合反映,表2给出了各方案的自振频率基值。计算分析表明：上、下平联均加强优于只加强上平联或下平联,部分加强平联和全部加强平联效果差别不明显；部分加强横向联结系和全部均加强的差别也不大。增强弦杆刚度的能提高梁的横向刚度。施加体外预应力通过预应力钢绞线施加预应力来加强2片主桁之间的联系从而增大桥梁整体刚度,但本桥加固效果不理想。方案4、方案5、方案6、方案13和方案14的加固效果都较好,横向自振基频提高了14%～22%。

4.2 典型加固方案车桥耦合分析

分别对原结构和前述几种较好的加固方案采用BDAP进行车桥—耦合振动仿真分析,图3给出了原结构和加固后的跨中典型振幅里程曲线。显然,加固后跨中的横向振幅大幅度降低。

采用在整个行车速度范围内各响应值的最大值作为评价指标来比较各加固方案的优劣。表3列出了各加固方案在计算速度范围内各项指标的最大值。计算分析表明：加固方案4、5、6、13、14的加固效果明显,各项车桥横向振动响应均明显降低,方案13的加固效果最明显。

表3 各典型加固方案车桥响应值

加固方案13在C62空重混编货物列车以速度50～80km/h作用下,车辆横向Sperling舒适性指标最大值为3.94,达到“良好”,车辆脱轨系数和轮重减载率均达到“优良”；桥梁的跨中最大横向振幅小于《桥检规》的行车安全限值要求；桥梁跨中上弦横向振动加速度最大值达0.97m/s2,小于《桥检规》限值要求的1.40m/s2。

5 结论

（1）方案13是理想的加固方案,通过加强横向联结系、上、下平联和弦杆,桥梁的横向振动性能得到了明显的改善。

（2）加固后,桥梁的横向和扭转一阶自振频率得到明显提高。

（3）加固后,跨中最大横向振幅、最大横向加速度在货车80 km·h-1、客车200km·h-1作用下均小于《桥检规》的行车安全限值要求,表明所采用的加固方案可有效提高桁梁的横向刚度。列车的脱轨系数和轮重减载率达到 《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》(TB/T2360-93)所规定的“优良”,车辆横向Sperling舒适性指标达到“良好”。由此表明：行车安全性和舒适性均能得到保证。

[1]中华人民共和国铁道部.铁路桥梁检定规范[S],2004.

[2]H Xia,De Roeck G,H R Zhang,et a.l Dynamic analysis of trin-bridge system and its application in steel girder reinforcement[J].Computers&Structures,2001,79(20):1851-1860.

[3]顾萍,顾建新,吴定俊.下承式钢板梁桥横向刚度加固研究[J].中国铁道科学,2005,26(1):54-57.

[4]郭文华,曾庆元.上承式钢板梁空间振动计算与加固技术研究[J].中国铁道科学,2002,23(5):82-88.

[5]苏木标,李建中,梁志广.MTMD抑制铁路上承钢板梁横向振动试验研究[J].振动与冲击,2000,19(1):19-23.

[6]顾建新,夏炜,徐利军,等.既有线钢桁梁桥横向刚度加固技术[J].中国铁道科学,2005,26(5):12-16.

[7]顾萍,王淼,吴定俊.TMD抑制既有铁路钢桁梁桥横向振动研究[J].铁道学报,2005,27(2),85-89.

[8]刘守龙.提高桥梁横向刚度的措施和效果 [J].铁道建筑,2000,(11)：8-10.

[9]李小珍.高速铁路列车－桥梁系统耦合振动理论及应用研究[D].成都：西南交通大学,2000.

[10]TB/T2360-93,铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准[S].