山西中南部铁路通道钢桁梁桥维修设备方案设计

刘小正（西安铁路局科学技术研究所，陕西西安　710054）



山西中南部铁路通道钢桁梁桥维修设备方案设计

刘小正
（西安铁路局科学技术研究所，陕西西安710054）

摘要铁路运输行业的发展对于事关行车安全的铁路桥梁管理、检查、养护维修、大修加固、技术检定等方面提出了更高的要求，尤其对于特大、异型桥梁和电气化铁路桥梁，其养护工作更加需要专业的维修设备。本文针对山西中南部铁路通道钢桁梁桥桥群的具体结构共性和检修要求，在对现有几种桥梁维修设备比较分析的基础上，阐述了该线桥梁检修技术难点，同时考虑维修方案工作范围、安全性、可操作性、成本控制等诸多因素，提出了适用于山西中南部铁路通道钢桁梁维修的设备方案并对主要部件加以检算，为维修工作的顺利实施奠定了基础。

关键词铁路桥梁；维修设备；维修车；方案设计

近年来，随着国民经济的发展，国家对铁路建设的不断投入，我国铁路桥梁设计和建造都有了很大的发展，同时也对桥梁的通行能力和承载能力提出了更高要求。特别是几次铁路大提速，桥梁安全成为保证顺利提速的重要因素［1］。桥梁的定期维护可使桥梁功能正常，状态完好，从而确保行车安全并大大地延长使用寿命。然而与桥梁的设计施工相比，我国铁路桥梁的养护和维修水平还存在较大差距，桥梁的养护维修技术已成为当前值得认真研究解决的重要课题。根据铁路桥梁养护维修的经验，越是大型特殊形式的新型桥梁，越需要重视检查维修设备的研究和配置问题，这样才能保证桥梁和行车的安全运行［2］。

1　工程概况

山西中南部铁路通道工程西起山西省吕梁市兴县，东至山东省日照港，是连接我国东西部的重要煤炭资源运输通道，也是我国第一条按30 t重载铁路标准建设的铁路。该项目正线长1 259. 57 km，主要设计技术标准为国铁Ⅰ级、双线电气化、行车速度120 km/h、重载铁路。项目大部分跨公路、铁路及黄河特大桥均采用了下承式钢桁梁结构，桥梁跨度大、跨数多、主桁宽，妥善解决此类桥梁建造后期的检查、涂装以及投入运营以后的检修十分必要。因此，设计适用于山西中南部铁路通道的铁路钢桁梁桥维修设备方案意义重大。

2现有几种桥梁维修设备比较分析

桥梁维修设备是一种可以为桥梁检测维修人员提供作业平台的专用设备，利用桥梁维修设备进行桥梁除锈、涂漆以及相关检测，能大幅提高工作效率，保证人员施工安全。铁路桥梁维修设备在满足维修范围要求的同时，应具有足够的空间保证人员工作，且方便操作；此外，如果考虑到高速客运专线带来的桥梁振动、空气动力学影响以及接触网高压电等因素，维修设备在设计上就应具有较高的安全可靠性，还应采用必要的防电保护措施。现对几种维修车形式和适用条件作如下分析。

2. 1路面行驶桥梁检测车

国外桥梁检测车在形式上通常是一种可以为桥梁检测维修人员在工作过程中提供作业平台的专用汽车［3］。作业平台装备在汽车底盘上，可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让作业人员进入作业位置（见图1）。

图1　HYDRA公司剪臂式搭架

这种桥梁检测车最早出现在欧美，用于桥梁流动检测或维修作业，技术含量很高。目前，国内也有相当程度的发展，徐工集团和湖南宝龙都已拥有其自主研发的产品［4］。此种维修设备能很好地适应公路桥梁和少数铁路桥梁的维修工作，是因为其维护过程需要设备沿路面行驶，将主检测设备下放至桥面下方一定范围作业。而我国铁路绝大部分桥梁的建筑限界以外并无行驶空间，因此该类维修设备使用较少。加之我国铁路运行环境繁忙，不允许长期占用线路施工，也限制着该维修设备的使用。

2. 2主桁下弦维修车

顾名思义，此种维修车就是通过在钢梁桥主桁下部搭建轨道并悬挂走行桁架，利用伸缩臂上的作业平台承载维修人员及设备对主桁进行维护的设备。著名的欧雷松德大桥正是采用这种形式的专用维修设备，见图2（a）。

该维修车主要由安装在大桥底面的2根轨道、主桁架、走行系统、旋转装置、两端折叠式液压伸缩平台、控制系统等组成。采用电子液压控制，通过装在维修车两端的折叠式伸缩平台，搭载维修人员对大桥各个部分进行维护工作。其中，主桁架可以旋转并从桥墩开口处穿越（如图2（b）所示），提高了维修车的利用率。

图2　欧雷松德桥梁维修车

欧雷松德大桥采用此种维修方式，是其桥梁自身结构所决定的。欧雷松德大桥全长16 km，主桁中心距较小且等截面，维修范围不大，维修设备易于小型化设计；除此之外，每一处桥墩设计有较大开口，能使维修车转向后直接穿越，为减少维修车数量提供了可能。此种维修方案，能使同一维修设备在全桥范围内自由行进和维修，极大地降低了设备成本。而本文针对桥梁多为大跨度简支、连续梁结构，且桥墩部位无特殊处理亦即不便于维修设备实现过跨行走，因此跨间采用此种维修方式无疑增加了设备成本。

2. 3上弦杆独立行走维修车

如图3所示，澳大利亚悉尼大桥采用两维修小车独立在主桁上弦杆上行走的方式对钢桥进行维修。小车两侧装有维修吊篮，可下放到主桁两侧对主桁、立柱、斜杆等边桁进行维护。维修车主体由小车架、走行系统、升降系统、两侧维修平台、控制系统等组成，其结构较为简单实用，能够满足悉尼大桥的日常维修工作。

图3　悉尼桥维修车

悉尼大桥的特点在于实现维修设备的过拱爬行，维修难度较大，为此维修小车必须在主桁上保持相对稳定，因此较以往维修车设计，采用了齿式的走行机构，同时省略了上平联结构的维修工作，使两侧小车独立行走。如此可减小设备自重，提高施工的灵活性。另一方面，因维修车行进中桁高的不断变化，侧面桁架的维修工作主要由吊篮完成，减轻了设备的偏载，也可自由选择维修范围。

过拱爬行和桁高变化的桥梁特点决定了悉尼桥维修设备的具体实现方式。然而本文针对桥梁结构并无上述复杂特点，齿式走行机构会增加设计难度，同时高速列车行驶过程对工作吊篮结构产生冲击影响，容易与带电接触网发生接触，造成安全隐患。

2. 4侧面走行维修车

图4所示公铁两用桥的维修采用此种设备，可以完成公路桥面下部结构和全部侧翼钢桁梁结构的维修，若添置合适的下弦维修车完成铁路桥面下方的维修工作，即可对全桥实现维修。其上的公路桥面阻碍了在钢梁平联上部架设维修设备，因此该套维修设备对公路桥面下方的检测只能从侧翼进入。此结构侧面维修车形式与国内天兴洲公铁两用大桥维修设备十分相似。

然而该方案维修过程需要长时间占用铁路线路，在我国繁忙的铁路运营环境中，此种作业方式显然是不合时宜的。

图4　日本岩黑岛濑户大桥维修车

3山西中南部铁路通道钢梁维修设备

3. 1维修技术难点

随着我国铁路特别是电气化铁路的发展，我国铁路桥梁形式也日趋标准化。山西中南部铁路通道桥群多为下承式铁路钢桁梁结构，仅在桁高、桁宽等重要参数上存有差异，这也为该类型桥梁维修设备的标准化制定提供了基础［5］。此类钢梁桥维修设备方案设计具有以下技术难点。

1）铁路运营环境繁忙，桥梁维修作业不能占用线路，影响行车安全。

2）桥梁主体为桁架结构，布置紧凑，除线路自身所需运营空间，建筑限界以外至钢梁处留存空间狭小，维修设备安置困难。

3）本项目桥梁均为整体式钢梁结构，维修作业要求涵盖整个钢梁表面。其主桁宽度分为11. 5，12. 8 m两类，桁高变化范围11. 5～16 m，检修范围较大，维修设备应采用模块化设计，便于制造加工和后期维护。

4）钢梁眉杆下方设有铁路高压带电接触网，电压值为27. 5 kV，列车时速120 km/h，维修设备必须考虑防电安全。

5）环境最大风速35 m/s，维修设备须具备可靠的防风装置。

3. 2方案设计

对比现有桥梁维修设备形式和本项目具体桥梁结构特点及检修要求，维修设备设计采用上、下弦独立维修方案，即于钢梁主桁上下弦杆处铺设轨道，使维修设备主桁架架设在钢梁之外，不占用线路，以在线路运营的同时完成全部钢梁表面的检查维修工作。

如图5所示，本项目上弦维修设备主要由侧面检修吊笼（1）、走行梁（2）、主桁架（3）、活动检修小车（4）、活动吊笼（5）、防电板（6）等部件构成。主桁架分三段组合用于支承设备主体并连接各功能部件；主桁架两侧底部走行梁可以使设备在上弦杆轨道上同步行走，仅一台设备完成全桥除下平联外全部钢梁结构维修工作。其中，侧面检修吊笼紧贴桥梁主桁侧翼，工作时其上的翻板结构下放，可使工作人员轻松接近侧面钢梁工作，另一方面，中部的活动检修小车可沿主桁架任意移动，将其上的活动吊笼下放至钢梁上平联下方，完成整个上平联结构的检查维修工作。同时，为了保证施工安全，活动吊笼下方设置有防电装置，可增加活动吊笼下放的距离，从而增大设备检修范围。

图5　山西中南部铁路通道钢梁桥设备上弦维修设备

图6　山西中南部铁路通道钢梁桥下弦维修设备

本项目下弦维修设备（如图6）参考欧雷松德大桥维修车形式，但因仅需检修钢梁下平联且过跨行走，故下弦车省略了侧翼的活动工作平台及其控制设备，同时取消了旋转装置，使整个设计大幅简化，大幅缩减了设备成本。

考虑风力影响因素，维修设备走行梁设有专用防风装置，当维修设备完成工作时，可将设备主体与轨道托架固定在一起，避免设备掉道影响行车安全（见图7）。

上述方案能够满足本项目所有下承式钢梁桥的维修工作，通过上下弦维修设备配合使用，其工作范围能够覆盖全部钢梁结构表面，同时操作简单且安全可靠。更重要的是全部维修设备采用模块化设计，缩减了设计时间，提高了互换性，便于生产和安装，极大地降低了设备成本。

3. 3主要部件计算

本项目维修设备主桁架是承载的关键部件，将直接影响设备的整体性能，并关系其他部件参数选取。新型维修车主桁结构采用角钢栓焊而成，传力模式清晰简单。考虑中间吊篮、侧面工作平台自重、人工荷载、风荷载等外部荷载，安装过程中最不利受力情况，利用有限元软件建立模型，进行危险工况下的结构刚度、强度、稳定性分析。主桁架应力分布见图8。

图7　防风装置

图8　主桁架应力分布

通过上述计算可知，主桁架结构最大拉应力30 MPa，最大压应力18. 5 MPa，根据《钢结构设计规范》Q235b钢材壁厚或直径≤16 mm时，抗拉、抗压强度设计值为215 MPa，其值均小于设计强度；跨中竖向最大挠度为2. 1 mm，挠度值＜L/400 = 14. 2 /400 = 35. 5 mm；屈曲分析，一阶失稳模态临界荷载系数为8，大于规范要求值。因此该新型维修车结构的强度、刚度、稳定性均满足要求，且具有较大的安全储备。

4　结语

为保证我国铁路现代化建设的顺利进行，铁路桥梁的日常预防性检测和维修工作已成为当务之急。山西中南部铁路通道钢桁梁桥维修设备方案是针对其桥梁结构特点和施工要求作出的合理设计，经过诸多单位多年的努力，全部维修设备安装已顺利完成并投入使用，各项功能指标均达到使用要求。

以上分析对铁路下承式钢梁桥检修设备的设计具有一定的指导作用，通过后期桥梁维护工作不断改进结构，确保施工安全，降低施工成本，使该方案逐步完善，对促进桥梁维护技术的发展意义重大。

参考文献

［1］沈春林.铁路桥梁检测车防倾覆稳定性校核［J］.铁道建筑，2009（1）：46-49.

［2］项海帆，吴定俊.我国铁路桥梁的现状和展望［J］.铁道建筑技术，2001（2）：1-5.

［3］崔文毅，潘夏表.桥梁检测车在桥梁检测中的应用［J］.筑路机械与施工机械化，2006（12）：42-44.

［4］龚栋梁.国内外桥梁检测车发展概述［J］.商用汽车，2009 （6）：100-102.

［5］高宗余，方秦汉.中国铁路桥梁技术发展与展望［J］.铁道工程学报，2007（1）：55-59.

（责任审编孟庆伶）

Design for Maintenance and Repair Equipment Scheme of Steel Truss Bridges on Shanxi Central South Railway Thoroughfare

LIU Xiaozheng
（Scientific & Technical Research Institute，Xi'an Railway Administration，Xi'an Shaanxi 710054，China）

AbstractT he rapid development of railway construction demands better management，inspection，maintenance，heavy repair and reinforcement and technical verification of railway bridges. In particular，the extra-large and special shaped railway bridges and the bridges on electrified railway lines require dedicated maintenance equipment. An integrated maintenance equipment plan was proposed for the group of steel truss bridges on Shanxi Central South Railway and based on their common structure and maintenance requirements. T he difficulties in repair and maintenance of the bridges on this line were addressed through the comparison of their maintenance equipment. T he factors including operation scope，security，operability and cost control were considered. Calculation of the key components was suggested.

Key wordsRailway bridge；M aintenance equipment；M aintenance vehicle；Scheme design

中图分类号U445. 7

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 03

文章编号：1003-1995（2016）06-0011-05

收稿日期：2016-05-10；修回日期：2016-05-20

作者简介：刘小正（1962—），男，高级工程师。