64m栓焊鋼桁梁重載適應性分析及強化對策

崔鑫，王麗，趙欣欣

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

64m栓焊鋼桁梁重載適應性分析及強化對策

崔鑫，王麗，趙欣欣

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

根據神華鐵路既有路網擴能改造計劃，將在朔黃鐵路規模化開行2萬t重載列車，達到年運量4 億t及以上的生產目標。發展重載運輸須研究既有橋梁的重載適應性問題。本文通過對重載列車作用下既有64 m栓焊鋼桁梁在承載能力適應性和疲勞累積損傷的分析、計算，提出在軸重30 t列車作用下既有64 m鋼桁梁的薄弱環節，并針對薄弱環節進行了強化改造措施研究，提出了強化對策。

重載 鋼橋疲勞 加固措施

由于世界各國鐵路基礎設施、運營條件、技術裝備水平不同，發展重載運輸的著眼點并不一樣，從國際重載鐵路的發展趨勢看，提高軸重是增加列車運量的主要措施之一。我國既有鐵路橋涵的設計標準是適應軸重25 t及以下的運營車型，而此次朔黃重載鐵路計劃開行軸重30 t及以上的重載列車。重載運輸不同于列車提速，隨著列車軸重和行車密度的增加，對既有鋼橋的直接影響主要體現在兩個方面:承載能力和疲勞壽命。由于運營活載的進一步增大，使得既有活載儲備降低，同時車輛軸重和運營頻次的提高，增加了橋梁的疲勞累積損傷，尤其對于小跨度或影響線較短的梁跨或構件，其在重載運輸條件下的疲勞問題更為突出。因此為保證大軸重運輸條件下的運營安全，本文依托國家科技支撐課題“軸重30 t以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制之任務七——重載鐵路線路基礎設施強化改造技術研究”，對朔黃鐵路既有64 m栓焊鋼桁梁進行了重載適應性分析及強化對策研究，提出重載條件下鋼梁的薄弱環節及強化對策。

1 橋梁概況

朔黃線上共計兩座鋼桁梁橋，分別為64 m單線鋼桁梁和64 m雙線鋼桁梁，見圖1。均為按中—活載設計的栓焊鋼桁梁，主桁、橋面系、橫聯、上下平縱聯等用鋼均采為16Mnq，節間長8 m，桁高11 m，主桁中心距分別為5.75 m(單線)和9.732 m(雙線)。線路開通以來，線上運營列車主要以C64K，C70，C80車輛統一編組列車為主。

圖1 跨度64 m栓焊鋼桁梁橋概貌

2 既有橋重載適應性分析

2.1 承載能力適應性分析

根據橋梁構件強度、剛度和穩定設計計算公式，歸納推導出重載列車荷載通過橋梁時荷載的動效應與橋梁按照當初設計活載標準計算的動效應的對比公式，在相同設計安全度條件下，若滿足式(1)，則認為該跨度橋梁在強度、剛度和穩定檢算方面能夠滿足安全通行重載列車的要求。

式中:k重，k設分別為重載列車、設計活載標準的換算均布荷載;1+μ重，1+μ設分別為重載列車運營動力系數，設計活載標準的設計動力系數。

64 m栓焊鋼桁梁按通用設計圖制造［1－2］，材質16Mnq，設計荷載中—活載，計算荷載圖式見圖2(a)［3］。主桁上、下弦桿截面采用焊接H形，除雙線橋腹桿E0A1和A3E2采用箱形桿件外，其余均采為H形，見圖3。

承載能力適應性分析中分別采用了平面計算和空間計算兩種方式，計算在欲開行的軸重30 t車輛組成的列車荷載作用下橋梁的強度、剛度、穩定性、連接構造的承載能力適應性。兩種方式的計算結果基本一致，平面計算值略大于空間模型計算值。考慮到橋梁設計時為平面計算，本文中僅提取平面計算數值。計算荷載圖式見圖2(b)，在軸重30 t車輛荷載作用下，主桁構件強度、穩定性在主力作用下的計算分析結果見表1和表2［4］。

圖2 計算荷載圖式(距離單位:m)

圖3 主桁輪廓

表1 主力工況下構件強度檢算結果MPa

表2 主力+次應力工況下構件穩定檢算結果MPa

強度及穩定性的檢算結果顯示，軸重30 t車輛作用下的構件應力小于設計荷載作用下的構件應力，即說明強度和穩定性不是重載適應性的控制因素，既有橋梁在承載能力方面能夠滿足規范要求，但荷載儲備有所降低。

2.2 疲勞累積損傷的影響分析

朔黃鐵路自開通運營以來主要開行軸重21 t，23 t以及25 t的C64K，C70，C80統一編組列車。若發展重載運輸后，運營列車的軸重將進一步增大，運營頻次將有所提高，根據疲勞累積損傷的定義，累積損傷的大小與疲勞應力幅和相應的應力循環次數密切相關。因此發展重載運輸必然會對既有鋼橋的疲勞累積損傷產生直接影響，從而影響到鋼橋的疲勞壽命。對于跨度64 m栓焊鋼桁梁，結構中易發生疲勞損傷的部位主要集中在橋面系縱、橫梁等影響線較短的構件及其連接處，以及主桁受拉桿件(A1E2，E2E4，吊桿)和連接處。這些受拉構件中有全橋受力桿件和局部受力桿件，全橋受力桿件的影響線長度為64 m，局部受力桿件的影響線長度為16 m和8 m。

為具體研究重載列車對既有鋼橋疲勞累積損傷的影響程度，采用計算分析軟件STAAD/CHINA［5］，將列車荷載轉換為由集中力組成的移動荷載列。列車荷載由橋梁一端按一定步長逐步通過橋梁，直至車尾離開橋梁另一端。提取構件內力，形成列車荷載通過橋梁一次在構件中產生的荷載效應歷程曲線，以分析構件在實際列車作用下的受載特點。影響線長度8 m的縱梁在列車過橋一次產生的荷載效應歷程曲線見圖4。

圖4 影響線長度8 m的縱梁在列車過橋一次產生的荷載效應歷程曲線

荷載效應歷程曲線明顯地呈現了不同長度影響線構件在列車作用下的受載特點，對于全橋受力構件來說，列車過橋一次即產生一個大的應力循環，而對于局部受力構件來說，列車過橋一次會產生多個應力循環。因此，從疲勞累積損傷角度，局部受力構件的疲勞問題將更為嚴峻，應重點關注這些構件的疲勞問題。

通過對構造細節進行疲勞應力截止限的檢驗來確定結構或構件能否滿足疲勞估算。按構造細節類型以5×106次對應的等幅應力為門檻值，疲勞估算中實際重載列車作用下的最大應力幅小于此門檻值時即認為該構件或連接能滿足疲勞估算，若最大應力幅值大于此門檻值則認為該構件或連接應采取適當的措施進行改造，以降低其應力幅值，提高橋梁疲勞壽命。檢算按下式［6］進行

式中:Δσsmax為由重載列車算得的最大應力幅;α為考慮線路偏心、超載及裝載偏心等因素引起的應力增大系數，一般取1.05;β為最大量測修正系數，取1.1; Δσce為等幅應力截止限，按《鐵路橋梁檢定規范》中的規定取值，對64 m栓焊鋼桁梁，Δσce=74 MPa。

經計算，在軸重30 t重載列車作用下，跨度64 m單線鋼桁梁及雙線鋼桁梁的疲勞估算結果見表3。疲勞估算結果顯示，主桁的受拉斜腹桿、吊桿以及橋面系的縱、橫梁疲勞應力幅較大，已超出截止限，建議進行適當加固。

表3 疲勞估算結果MPa

2.3 小結

通過對跨度64 m鋼桁梁的重載適應性分析發現，在軸重30 t重載列車作用下，鋼橋的強度和穩定基本能夠滿足規范要求，部分受拉構件及以拉為主的拉壓構件疲勞問題較為突出。經疲勞估算，斜桿A1E2、局部受力的吊桿及橋面系縱、橫梁的疲勞應力幅超出截止限。因此，為確保大軸重運輸條件下橋梁的安全運營，保證橋梁使用壽命，建議對上述構件及連接進行適當加強。

3 強化對策研究

雖然國外重載鐵路的荷載儲備較高，但由于重載鐵路的運輸特點，使得橋梁在使用期內承受車輛豎向活載和加載循環次數的明顯增加，致使橋梁的疲勞和劣化問題不斷出現。因此針對這些疲勞裂紋及斷裂問題所采取的措施主要有降低結構恒載、改善殘余應力、降低沖擊力、更換桿件、高強度螺栓拼接等。

隨著加固材料和施工方法的改進，新的加固方法也層出不窮，目前常見的鋼結構加固方法有增大截面面積加固法、粘貼加固法(鋼板、纖維布、碳纖維等)、外部預應力法等等［7］。而應用于鋼橋中的加固方法多為增加構件截面積和連接強度，對于桿件的加固，主要為在翼板外側用高強螺栓加貼鋼板［8］或粘貼碳纖維復合材料。本次強化改造的主要目的是有效降低重載列車作用下的疲勞應力幅以保證橋梁使用壽命，同時考慮到鋼結構對耐久性的要求及實際加固效果，擬采用栓接鋼板或角鋼來增大截面積的加固方法對構件進行強化。

4 結論

本文針對朔黃線預計開行的軸重30 t重載車輛，對其線上既有跨度64 m單線鋼桁梁和雙線鋼桁梁進行重載適應性分析。從計算分析結果看，在軸重30 t重載列車作用下，既有跨度64 m鋼桁梁的強度、剛度及穩定性方面的各項指標均能滿足規范要求。但其疲勞累積損傷分析結果顯示，部分受拉力較大的構件如主桁斜桿A1E2、吊桿和橋面系縱、橫梁的疲勞應力幅較大。考慮到鋼結構對耐久性的要求及實際加固效果，建議對疲勞問題突出的構件采用增加截面積的方法降低其活載作用下的應力幅，采用現場打孔、高強度螺栓拼接鋼板或角鋼來加固主桁桿件和橋面系構件，經驗證，加固效果達到預期值。

［1］中華人民共和國鐵道部.通用圖號專橋0146單線鐵路栓焊下承桁梁［Z］.北京:鐵道部專業設計院，1987.

［2］中華人民共和國鐵道部.通用圖號專橋0159雙線鐵路栓焊下承桁梁［Z］.北京:鐵道部專業設計院，1994.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.

［5］阿依艾工程軟件有限公司.STAAD/CHINA技術參考手冊［M］.大連:阿依艾工程軟件有限公司，2004.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［7］中華人民共和國交通運輸部.JTG/T J22—2008公路橋梁加固設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［8］張文敏，彭嵐平.既有線提速鋼桁梁加固與測試［J］.鐵道標準設計，2004(3):23－24.

Analysis on suitability of 64 m span bolted-and-welded steel truss girder for heavy haul transport and its strengthening measures

CUI Xin，WANG Li，ZHAO Xinxin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to network expansion and reconstruction needs of Shenhua Railway，20 000 t Heavy Haul T rain will run on Shuohuang railway in large－scale，targeting annual volume more than 400 million tons.However，the development of heavy haul transportation on the existing line is related to the adaptability of the existing bridges.In the paper，adaptability of a 64 m bloted and welded steel truss girder bridge to heavy axle loads was analyzed as well as its accumulative fatigue damage.Under 30 t axle loads，the weakness of the steel truss girder was proposed.Also，the corresponding strengthening method was recommended.

Heavy axle load;Steel bridge fatigue;Strengthening measures

U448.21+1;U445.7+2

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.09

(責任審編 趙其文)

1003－1995(2015)10－0047－04

2015－04－28;

2015－07－08

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)

崔鑫(1979—)，女，副研究員，碩士。