48 m半穿式鋼梁提速改造設計

凌夏青

(中鐵上海設計院集團有限公司， 上海 200070)

48 m半穿式鋼梁提速改造設計

凌夏青

(中鐵上海設計院集團有限公司， 上海 200070)

為了使既有48 m單線半穿式栓焊鋼桁梁滿足提速要求，根據以往工程實踐，提出了加固下弦桿、下平縱聯的改造方案。建立橋梁的多自由度有限元模型，進行動力響應分析，論證改造方案的效果。

48 m半穿式鋼梁 改造 動力分析

寧啟鐵路復線電氣化改造工程(以下簡稱寧啟)區間設計時速200 km。而既有寧啟鐵路在2004年通車，全線設計時速為120 km。既有線鋼梁共計14處，提速后廢棄9座，位于限速段的3座，位于提速段既有48 m半穿式鋼梁橋共計2處，分別為跨鹽靖高速大橋，串場河中橋。既有寧啟線通車僅10年，廢棄既有鋼梁橋不但經濟損失大，而且社會影響大，所以設計對提速段的2座48 m鋼梁進行提速改造研究。

圖1 既有48半穿式鋼桁梁

1 橋梁動力分析模型

既有48 m半穿式單線簡支鋼桁梁橋采用圖號為專橋(01)0101，主桁高度5.5 m，主桁中心距6.0 m，節間長度4 m。橋面系采用縱橫梁結構體系，縱梁高度為420 mm，橫梁高度為855 mm。平縱聯采用三角形，截面為工形，弦桿截面高度為440 mm、寬度為460 mm。鋼梁材質為16Mnq鋼(如圖1)。

橋梁采用多自由度有限元模型，以空間梁單元為基本單元，因橋墩臺很矮，故未考慮其影響，支座的約束條件通過約束相應的位移來處理。二期恒載采用1.0 t/m，作用于整個下平聯平面上，結構自重根據設計圖上提供數值等效成材料容重。

橋梁結構采用一致剛度矩陣和一致質量矩陣，由于精確地決定結構的阻尼矩陣相當困難，因此將實際結構的阻尼簡化為結構總剛度陣和質量陣的線性組合，即

(1)

這種阻尼稱為比例阻尼或振型阻尼。M和K為結構的整體質量矩陣和剛度矩陣。

采用瑞利阻尼，瑞利阻尼陣C可由式(1)表示，且

(2)

上式中，ω1、ω2、ξ1、ξ2分別為結構的一階二階自振頻率與相應的阻尼比。對鋼橋而言，ξ1、ξ2一般取為1%。有限元模型渲染見圖2。

2 車型、編組及軌道不平順譜選取

2.1 車型及編組

根據寧啟復線提速改造設計目標，結合全路主力車型，選取下面3種車型及編組：

(1)韶山3型機車+20×C70重車，車速80、90、100、110、120 km/h；

(2)韶山3型機車+20×C80重車，車速80、90、100、110、120 km/h；

(3)CRH2動車組，8輛編組，車速180、200、220、240、250 km/h

2.2 軌道不平順譜選取

機車車輛產生振動引起的重要原因是軌道不平順，考慮到國內有砟軌道一般與美國五級軌道譜大體相當，即比美國五級線路譜要好，比美國六級線路譜要差。本次分析對貨車工況采用了美國五級譜模擬線路狀態，對CRH2動車組則采用美國六級譜生成的軌道不平順時域模擬樣本進行計算。

3 橋梁改造方案

48 m半穿式鋼梁提速的主要問題在于橫向剛度不足，導致橫向自振頻率及橫向振幅超限。加固方案主要有以下兩種措施。

加固措施一：對主桁下弦進行加強，在H形桿件內外側四個角設置角鋼與其連接，用以增加下弦桿的有效截面，加大主桁剛度，減小橫向振幅。同時在每一個節間設置了兩處綴板，將四個角剛箍緊。施工時，先在下弦桿上將拼接螺栓孔鉆好，解開節點板上與加強角鋼連接的原有高強螺栓，隨即安裝加強角鋼。加強角鋼應逐個安裝，待加強角鋼全部安裝完畢后，再在節點位置安裝拼接板。見圖3。

圖3 下弦桿加固斷面(單位：mm)

加固措施二：對主桁下平縱聯進行桿件更新改造，見圖4。

圖4 下平聯加固斷面(單位：mm)

高強度螺栓施工應按照鐵路高強度螺栓連接施工規定執行。高強度螺栓連接表面的處理，有條件時應采用噴丸(砂)除銹，必須將表面油污、氧化皮和鐵銹及其他雜物清楚干凈，再噴鋁或涂裝無機富鋅防銹抗滑涂料。確有困難時，可采用火焰或鋼絲刷除銹，除掉油漆及氧化皮，保證摩擦系數在0.35以上。改造安裝完畢后，鋼梁表面油漆損傷部位必須清理干凈，涂裝底漆、中間漆和面漆。

4 橋梁自振頻率及振型

橋梁橫向自振頻率是控制橋梁橫向振動的主要參數，反映了橋梁橫向剛度的大小。從鐵路6次提速的經驗來看，橋梁橫向振動是既有線提速存在的突出問題。

根據《既有線提速200 km/h技術條件》要求，簡支梁橫向一階彎曲自振頻率應滿足

nh≥60/L0.8

其中L為橋梁跨度/m。

表1為加固前自振動頻率的計算結果。

表1 加固前自振頻率計算結果

5 車橋動力仿真分析

5.1 行車安全和乘坐舒適度評定指標

列車運行安全性采用脫軌系數、輪重減載率及輪軌橫向搖擺力幾個參數來限定。

乘坐舒適度評定指標采用列車運行平穩性指標

5.2 橋梁動力響應限值

參照《鐵路橋涵檢定規范》，本橋由于采用明橋面，動力響應限值如下：橋梁的最大垂向加速度amax≤0.5g。橋梁最大橫向加速度amax≤0.14g。

跨中橫向振幅安全限值：

L/(75L+3500)=6.761 mm

貨物列車重車通過時跨中橫向振幅通常值(V≤80 km/h，支座中心距6.0 m)：

L/(2.2B)=3.636 mm

客車重車通過時跨中橫向振幅通常值(V≤200 km/h，支座中心距6.0 m)：

L/(4.6B)=1.739 mm

5.3 動力響應分析

(1)鋼桁梁加固前的分析結果

在車速120 km/h工況下，輪重減載率超出限值，其他所有工況均滿足輪重減載率均小于0.6，脫軌系數小于0.8，行車安全性能滿足要求。

美國六級譜條件下，CRH2客車在車速180～200 km/h范圍內垂向舒適度達到良，橫向舒適度為良，在車速220～250 km/h范圍內垂向舒適度達到良，橫向舒適度為合格。

鋼桁梁加固前在客車通過條件下的跨中橫向振幅最大值為1.448 mm，滿足《橋檢規》通常值1.739 mm的要求，貨車通行條件下跨中橫向振幅最大值為4.629 mm，超出《橋檢規》通常值3.636 mm的要求，但滿足6.761 mm的安全限值。

(2)鋼桁梁加固后的分析結果

在車速120 km/h工況下，輪重減載率和脫軌系數超出或接近限值，其他所有工況均滿足輪重減載率均小于0.6，脫軌系數小于0.8，行車安全基本滿足要求。

美國六級譜條件下，CRH2客車在車速180～220 km/h范圍內垂向舒適度達到優，橫向舒適度為良，在車速240～250 km/h范圍內垂向舒適度達到良，橫向舒適度為合格。

鋼桁梁加固后在客車通過條件下的跨中橫向振幅最大值為1.313 mm，滿足《橋檢規》通常值1.739 mm的要求，貨車通行條件下跨中橫向振幅最大值為2.273 mm，滿足《橋檢規》通常值3.636 mm的要求。

6 結束語

48 m單線半穿式栓焊鋼桁梁整體加固改造提速至200 km/h客貨共線鐵路國內尚沒有實例，通過車橋耦合振動理論對車輛過橋引起車橋耦合振動進行仿真模擬分析，研究車輛過橋時的走行性、抗脫軌安全性以及橋梁動力響應，論證了半穿式鋼桁梁加固方案的可行性，為今后鐵路鋼桁梁提速改造提供了參考借鑒。

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[4] 周濤.高速列車對建筑結構的振動影響[D].長沙：中南大學，2009

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[7] 孫志杰.既有鐵路鋼桁梁橋運營性能的檢測與評價[J].石家莊鐵道學院學報，2010(4)

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48mhalfthroughreconstructiondesignofbeam

LING Xia-qing

2014-05-26

凌夏青(1975—)，男，1998年畢業于同濟大學，工學學士，高級工程師。

1672-7479(2014)04-0105-03

U445.7+2

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