山西中南部鐵路通道鋼桁梁橋維修設備方案設計

劉小正（西安鐵路局科學技術研究所，陜西西安　710054）

?

山西中南部鐵路通道鋼桁梁橋維修設備方案設計

劉小正
（西安鐵路局科學技術研究所，陜西西安710054）

摘要鐵路運輸行業的發展對于事關行車安全的鐵路橋梁管理、檢查、養護維修、大修加固、技術檢定等方面提出了更高的要求，尤其對于特大、異型橋梁和電氣化鐵路橋梁，其養護工作更加需要專業的維修設備。本文針對山西中南部鐵路通道鋼桁梁橋橋群的具體結構共性和檢修要求，在對現有幾種橋梁維修設備比較分析的基礎上，闡述了該線橋梁檢修技術難點，同時考慮維修方案工作范圍、安全性、可操作性、成本控制等諸多因素，提出了適用于山西中南部鐵路通道鋼桁梁維修的設備方案并對主要部件加以檢算，為維修工作的順利實施奠定了基礎。

關鍵詞鐵路橋梁；維修設備；維修車；方案設計

近年來，隨著國民經濟的發展，國家對鐵路建設的不斷投入，我國鐵路橋梁設計和建造都有了很大的發展，同時也對橋梁的通行能力和承載能力提出了更高要求。特別是幾次鐵路大提速，橋梁安全成為保證順利提速的重要因素［1］。橋梁的定期維護可使橋梁功能正常，狀態完好，從而確保行車安全并大大地延長使用壽命。然而與橋梁的設計施工相比，我國鐵路橋梁的養護和維修水平還存在較大差距，橋梁的養護維修技術已成為當前值得認真研究解決的重要課題。根據鐵路橋梁養護維修的經驗，越是大型特殊形式的新型橋梁，越需要重視檢查維修設備的研究和配置問題，這樣才能保證橋梁和行車的安全運行［2］。

1　工程概況

山西中南部鐵路通道工程西起山西省呂梁市興縣，東至山東省日照港，是連接我國東西部的重要煤炭資源運輸通道，也是我國第一條按30 t重載鐵路標準建設的鐵路。該項目正線長1 259. 57 km，主要設計技術標準為國鐵Ⅰ級、雙線電氣化、行車速度120 km/h、重載鐵路。項目大部分跨公路、鐵路及黃河特大橋均采用了下承式鋼桁梁結構，橋梁跨度大、跨數多、主桁寬，妥善解決此類橋梁建造后期的檢查、涂裝以及投入運營以后的檢修十分必要。因此，設計適用于山西中南部鐵路通道的鐵路鋼桁梁橋維修設備方案意義重大。

2現有幾種橋梁維修設備比較分析

橋梁維修設備是一種可以為橋梁檢測維修人員提供作業平臺的專用設備，利用橋梁維修設備進行橋梁除銹、涂漆以及相關檢測，能大幅提高工作效率，保證人員施工安全。鐵路橋梁維修設備在滿足維修范圍要求的同時，應具有足夠的空間保證人員工作，且方便操作；此外，如果考慮到高速客運專線帶來的橋梁振動、空氣動力學影響以及接觸網高壓電等因素，維修設備在設計上就應具有較高的安全可靠性，還應采用必要的防電保護措施。現對幾種維修車形式和適用條件作如下分析。

2. 1路面行駛橋梁檢測車

國外橋梁檢測車在形式上通常是一種可以為橋梁檢測維修人員在工作過程中提供作業平臺的專用汽車［3］。作業平臺裝備在汽車底盤上，可以隨時移動位置，能安全、快速、高效地讓作業人員進入作業位置（見圖1）。

圖1　HYDRA公司剪臂式搭架

這種橋梁檢測車最早出現在歐美，用于橋梁流動檢測或維修作業，技術含量很高。目前，國內也有相當程度的發展，徐工集團和湖南寶龍都已擁有其自主研發的產品［4］。此種維修設備能很好地適應公路橋梁和少數鐵路橋梁的維修工作，是因為其維護過程需要設備沿路面行駛，將主檢測設備下放至橋面下方一定范圍作業。而我國鐵路絕大部分橋梁的建筑限界以外并無行駛空間，因此該類維修設備使用較少。加之我國鐵路運行環境繁忙，不允許長期占用線路施工，也限制著該維修設備的使用。

2. 2主桁下弦維修車

顧名思義，此種維修車就是通過在鋼梁橋主桁下部搭建軌道并懸掛走行桁架，利用伸縮臂上的作業平臺承載維修人員及設備對主桁進行維護的設備。著名的歐雷松德大橋正是采用這種形式的專用維修設備，見圖2（a）。

該維修車主要由安裝在大橋底面的2根軌道、主桁架、走行系統、旋轉裝置、兩端折疊式液壓伸縮平臺、控制系統等組成。采用電子液壓控制，通過裝在維修車兩端的折疊式伸縮平臺，搭載維修人員對大橋各個部分進行維護工作。其中，主桁架可以旋轉并從橋墩開口處穿越（如圖2（b）所示），提高了維修車的利用率。

圖2　歐雷松德橋梁維修車

歐雷松德大橋采用此種維修方式，是其橋梁自身結構所決定的。歐雷松德大橋全長16 km，主桁中心距較小且等截面，維修范圍不大，維修設備易于小型化設計；除此之外，每一處橋墩設計有較大開口，能使維修車轉向后直接穿越，為減少維修車數量提供了可能。此種維修方案，能使同一維修設備在全橋范圍內自由行進和維修，極大地降低了設備成本。而本文針對橋梁多為大跨度簡支、連續梁結構，且橋墩部位無特殊處理亦即不便于維修設備實現過跨行走，因此跨間采用此種維修方式無疑增加了設備成本。

2. 3上弦桿獨立行走維修車

如圖3所示，澳大利亞悉尼大橋采用兩維修小車獨立在主桁上弦桿上行走的方式對鋼橋進行維修。小車兩側裝有維修吊籃，可下放到主桁兩側對主桁、立柱、斜桿等邊桁進行維護。維修車主體由小車架、走行系統、升降系統、兩側維修平臺、控制系統等組成，其結構較為簡單實用，能夠滿足悉尼大橋的日常維修工作。

圖3　悉尼橋維修車

悉尼大橋的特點在于實現維修設備的過拱爬行，維修難度較大，為此維修小車必須在主桁上保持相對穩定，因此較以往維修車設計，采用了齒式的走行機構，同時省略了上平聯結構的維修工作，使兩側小車獨立行走。如此可減小設備自重，提高施工的靈活性。另一方面，因維修車行進中桁高的不斷變化，側面桁架的維修工作主要由吊籃完成，減輕了設備的偏載，也可自由選擇維修范圍。

過拱爬行和桁高變化的橋梁特點決定了悉尼橋維修設備的具體實現方式。然而本文針對橋梁結構并無上述復雜特點，齒式走行機構會增加設計難度，同時高速列車行駛過程對工作吊籃結構產生沖擊影響，容易與帶電接觸網發生接觸，造成安全隱患。

2. 4側面走行維修車

圖4所示公鐵兩用橋的維修采用此種設備，可以完成公路橋面下部結構和全部側翼鋼桁梁結構的維修，若添置合適的下弦維修車完成鐵路橋面下方的維修工作，即可對全橋實現維修。其上的公路橋面阻礙了在鋼梁平聯上部架設維修設備，因此該套維修設備對公路橋面下方的檢測只能從側翼進入。此結構側面維修車形式與國內天興洲公鐵兩用大橋維修設備十分相似。

然而該方案維修過程需要長時間占用鐵路線路，在我國繁忙的鐵路運營環境中，此種作業方式顯然是不合時宜的。

圖4　日本巖黑島瀨戶大橋維修車

3山西中南部鐵路通道鋼梁維修設備

3. 1維修技術難點

隨著我國鐵路特別是電氣化鐵路的發展，我國鐵路橋梁形式也日趨標準化。山西中南部鐵路通道橋群多為下承式鐵路鋼桁梁結構，僅在桁高、桁寬等重要參數上存有差異，這也為該類型橋梁維修設備的標準化制定提供了基礎［5］。此類鋼梁橋維修設備方案設計具有以下技術難點。

1）鐵路運營環境繁忙，橋梁維修作業不能占用線路，影響行車安全。

2）橋梁主體為桁架結構，布置緊湊，除線路自身所需運營空間，建筑限界以外至鋼梁處留存空間狹小，維修設備安置困難。

3）本項目橋梁均為整體式鋼梁結構，維修作業要求涵蓋整個鋼梁表面。其主桁寬度分為11. 5，12. 8 m兩類，桁高變化范圍11. 5～16 m，檢修范圍較大，維修設備應采用模塊化設計，便于制造加工和后期維護。

4）鋼梁眉桿下方設有鐵路高壓帶電接觸網，電壓值為27. 5 kV，列車時速120 km/h，維修設備必須考慮防電安全。

5）環境最大風速35 m/s，維修設備須具備可靠的防風裝置。

3. 2方案設計

對比現有橋梁維修設備形式和本項目具體橋梁結構特點及檢修要求，維修設備設計采用上、下弦獨立維修方案，即于鋼梁主桁上下弦桿處鋪設軌道，使維修設備主桁架架設在鋼梁之外，不占用線路，以在線路運營的同時完成全部鋼梁表面的檢查維修工作。

如圖5所示，本項目上弦維修設備主要由側面檢修吊籠（1）、走行梁（2）、主桁架（3）、活動檢修小車（4）、活動吊籠（5）、防電板（6）等部件構成。主桁架分三段組合用于支承設備主體并連接各功能部件；主桁架兩側底部走行梁可以使設備在上弦桿軌道上同步行走，僅一臺設備完成全橋除下平聯外全部鋼梁結構維修工作。其中，側面檢修吊籠緊貼橋梁主桁側翼，工作時其上的翻板結構下放，可使工作人員輕松接近側面鋼梁工作，另一方面，中部的活動檢修小車可沿主桁架任意移動，將其上的活動吊籠下放至鋼梁上平聯下方，完成整個上平聯結構的檢查維修工作。同時，為了保證施工安全，活動吊籠下方設置有防電裝置，可增加活動吊籠下放的距離，從而增大設備檢修范圍。

圖5　山西中南部鐵路通道鋼梁橋設備上弦維修設備

圖6　山西中南部鐵路通道鋼梁橋下弦維修設備

本項目下弦維修設備（如圖6）參考歐雷松德大橋維修車形式，但因僅需檢修鋼梁下平聯且過跨行走，故下弦車省略了側翼的活動工作平臺及其控制設備，同時取消了旋轉裝置，使整個設計大幅簡化，大幅縮減了設備成本。

考慮風力影響因素，維修設備走行梁設有專用防風裝置，當維修設備完成工作時，可將設備主體與軌道托架固定在一起，避免設備掉道影響行車安全（見圖7）。

上述方案能夠滿足本項目所有下承式鋼梁橋的維修工作，通過上下弦維修設備配合使用，其工作范圍能夠覆蓋全部鋼梁結構表面，同時操作簡單且安全可靠。更重要的是全部維修設備采用模塊化設計，縮減了設計時間，提高了互換性，便于生產和安裝，極大地降低了設備成本。

3. 3主要部件計算

本項目維修設備主桁架是承載的關鍵部件，將直接影響設備的整體性能，并關系其他部件參數選取。新型維修車主桁結構采用角鋼栓焊而成，傳力模式清晰簡單?？紤]中間吊籃、側面工作平臺自重、人工荷載、風荷載等外部荷載，安裝過程中最不利受力情況，利用有限元軟件建立模型，進行危險工況下的結構剛度、強度、穩定性分析。主桁架應力分布見圖8。

圖7　防風裝置

圖8　主桁架應力分布

通過上述計算可知，主桁架結構最大拉應力30 MPa，最大壓應力18. 5 MPa，根據《鋼結構設計規范》Q235b鋼材壁厚或直徑≤16 mm時，抗拉、抗壓強度設計值為215 MPa，其值均小于設計強度；跨中豎向最大撓度為2. 1 mm，撓度值＜L/400 = 14. 2 /400 = 35. 5 mm；屈曲分析，一階失穩模態臨界荷載系數為8，大于規范要求值。因此該新型維修車結構的強度、剛度、穩定性均滿足要求，且具有較大的安全儲備。

4　結語

為保證我國鐵路現代化建設的順利進行，鐵路橋梁的日常預防性檢測和維修工作已成為當務之急。山西中南部鐵路通道鋼桁梁橋維修設備方案是針對其橋梁結構特點和施工要求作出的合理設計，經過諸多單位多年的努力，全部維修設備安裝已順利完成并投入使用，各項功能指標均達到使用要求。

以上分析對鐵路下承式鋼梁橋檢修設備的設計具有一定的指導作用，通過后期橋梁維護工作不斷改進結構，確保施工安全，降低施工成本，使該方案逐步完善，對促進橋梁維護技術的發展意義重大。

參考文獻

［1］沈春林.鐵路橋梁檢測車防傾覆穩定性校核［J］.鐵道建筑，2009（1）：46-49.

［2］項海帆，吳定俊.我國鐵路橋梁的現狀和展望［J］.鐵道建筑技術，2001（2）：1-5.

［3］崔文毅，潘夏表.橋梁檢測車在橋梁檢測中的應用［J］.筑路機械與施工機械化，2006（12）：42-44.

［4］龔棟梁.國內外橋梁檢測車發展概述［J］.商用汽車，2009 （6）：100-102.

［5］高宗余，方秦漢.中國鐵路橋梁技術發展與展望［J］.鐵道工程學報，2007（1）：55-59.

（責任審編孟慶伶）

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

中圖分類號U445. 7

文獻標識碼A

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

文章編號：1003-1995（2016）06-0011-05

收稿日期：2016-05-10；修回日期：2016-05-20

作者簡介：劉小正（1962—），男，高級工程師。