一種新型高鐵救援起重機橋梁通過及承載能力檢算評估

惠如海（京滬高速鐵路股份有限公司，北京　100038）

一種新型高鐵救援起重機橋梁通過及承載能力檢算評估

惠如海
（京滬高速鐵路股份有限公司，北京100038）

以京滬高鐵雙線簡支箱梁與合蚌客專單線簡支箱梁為例，對一種新型適用于高鐵橋梁上緊急救援的起重機進行了橋上通行及作業時橋梁承載能力的檢算。檢算結果表明：該型救援起重機在DF4或HXD3牽引編組回送時均可全速通過ZK活載設計的各種跨度橋梁；吊重自力走行時能夠滿足橋梁豎向檢算要求；橋上打支腿作業時，各檢算工況作用下常用跨度簡支梁豎向承載力、箱梁橋面板橫向受力均滿足規范要求。

高速鐵路；救援起重機；通行（作業）；橋梁承載能力；檢算評估

隨著武廣、京滬、京津、哈大等線路的陸續開通，我國高速鐵路的運營里程已達到約1萬km。高速鐵路在設計中多采用高架橋，使橋線比平均高達70%以上。按照高鐵橋梁的設計標準，現有國內大型救援起重機［1］無法全速通行目前的高鐵橋梁，從軸重、吊重自力走行最大輪載、最大支腿壓力等方面也無法適應高速鐵路的救援作業要求。因此根據高速鐵路救援起重機的特點，研發一種新型救援起重機，對于保證高鐵安全運輸具有重要的意義。

1　新型救援起重機簡介

高鐵救援以起復高鐵動車車體為主要救援目標，即起重機順軌可以將高鐵車輛車體起復，起重量為45 t，幅度25 m，起重力矩為11 250 kN·m。起重機整備狀態自重1 480 kN，回送狀態軸重 18.5 t，軸距 3× 1.4 m，心盤距9 m，車長15 m；吊臂平車軸重12.5 t和17.5 t，心盤距10.9 m，車長16.4 m，起重機吊臂支承放置在吊臂平車上。起重機外貌及連掛方式見圖1。

圖1　新型高鐵救援起重機外貌及連接方式

高鐵救援起重機在橋（單線橋和雙線橋）上工作主要有2種方式：方式1，不打支腿吊重走行方式，即救援起重機吊著重物在軌道上行駛，速度為10 km/h，作業中救援起重機轉臺和重物不回轉；方式2，打支腿作業方式，即救援起重機將支腿打在地面或橋面上進行吊重作業，作業中救援起重機轉臺和重物要進行回轉。

救援起重機打支腿作業有3種形式：①救援起重機在高鐵復線橋梁上，將重物吊到鄰線，支腿支撐在雙線之間，吊車體（45 t），回轉角度15°；②救援起重機在高鐵復線橋梁上，支腿支撐在鄰線上，將重物吊到橋下，吊重45 t，回轉角度15度和30°；③救援起重機在高鐵單線橋梁上，將重物吊到橋下，吊重45 t，回轉角度26度和90°。救援起重機各支腿和心盤承受的最不利載荷見表1。

2　橋梁活載承載能力及其檢算項目

2.1橋梁活載承載能力

橋梁結構在活載作用下的承載能力用活載系數Q表示，各種跨度橋梁在救援起重機編組列車作用下的活載系數應滿足Q=k0/kq≤1，其中 k0為救援起重機編組列車的換算均布活載（kN/m），kq為標準活載的換算均布活載（kN/m），均計入相應的動力系數。計算k0和kq時設計動力系數取值相同，若活載系數Q≤1，表明救援起重機編組列車能按照正常速度通行；若活載系數Q＞1，救援起重機編組列車則不能按照正常速度通行。

表1　救援起重機各支腿和心盤承受的最不利荷載　kN

2.2檢算項目

依據相關規范，支座、橋墩、基礎承載能力檢算的規定如下：①對于支座，參照文獻［2］中檢驗荷載為支座豎向設計承載力的1.5倍。考慮救援起重機為臨時荷載，容許應力乘以1.5的提高系數。②對于橋墩，參照文獻［3］中長大貨物列車的有關規定第12.0.2條，對墩臺材料的檢定容許應力乘以1.4的提高系數。③對于基礎，參照文獻［3］中長大貨物列車的有關規定第12.0.3條，對墩臺基礎的檢定容許承載力乘以1.6的提高系數。

由此可見，支座、橋墩、基礎的設計安全儲備較大，其檢定容許應力都可以乘以較大的提高系數，所以本文僅對救援列車回送、自力走行以及打支腿作業工況下的橋梁上部結構承載性能進行檢算。

3　檢算跨度及梁型選取

我國已開通運營的高速鐵路橋梁設計時速包括250 km/h和350 km/h 2種，其中250 km/h高速鐵路又包括兼顧貨運的高速鐵路（設計活載為ZK活載和中-活載，采用“時速250公里客運專線鐵路通用圖”）和客運專線鐵路（設計活載為 ZK活載，采用“時速250公里客運專線（城際鐵路）通用圖”）；350 km/h高速鐵路的設計活載為ZK活載，采用“時速350公里客運專線鐵路通用圖”。

從高速鐵路橋梁類型來看，預應力混凝土雙線箱梁占大多數，且大量采用等跨布置；在跨越山谷、河流、鐵路、道路等特殊區段時，采用大跨度連續箱梁或其他特殊橋梁結構。以京滬高速鐵路為例，31.5 m預應力混凝土雙線簡支箱梁占橋梁總數的88.4%，23.5 m預應力混凝土雙線簡支箱梁占橋梁總數的5.1%。

高速鐵路正線上預應力混凝土整孔簡支箱梁以雙線為主，在部分區段采用了少量單線箱梁。例如合蚌客專在張港上行線/下行線特大橋、官溝上行線/下行線特大橋中使用了預應力混凝土單線箱梁，共計472孔，其中包括跨度24 m簡支箱梁28孔，跨度32 m簡支箱梁444孔。

在綜合考慮了橋上線路數目、跨度、截面形式、橋面寬度等因素后，本文以京滬高鐵24 m和32 m雙線箱梁、合蚌客專24 m和32 m單線箱梁為例進行相關檢算。

4　機車牽引回送檢算

救援起重機的回送按照DF4（6軸，軸重23 t）與HXD3（6軸，軸重25 t）2種機車回送考慮（編組回送方案見圖2），分別計算了機車牽引下的活載系數（見圖3）。檢算結果表明，回送方案DF4或HXD3牽引編組，可以不限速通行ZK活載設計的各種跨度橋梁。

圖2　編組回送方案

5　吊重自力走行檢算

5.1檢算思路及方法

1）檢算第1步：假定在計算k0和kq時的設計動力系數取值相同，若活載系數Q≤1，表明救援起重機編組列車能按照正常速度通行；若活載系數Q＞1，救援起重機編組列車則不能按照正常速度通行。

2）檢算第2步：若Q＞1，則要考慮采取相應的對策，減小救援起重機編組列車的運行速度，通過降低動力系數來減小活載產生的動效應。計算時kq取設計動力系數，計算時k0取降低速度后的動力系數，動力系數的折減參照文獻［3］中有關規定執行。

圖3　機車牽引編組回送檢算

3）檢算第3步：豎向檢算。文獻［5］中規定對于單線或雙線的橋涵結構，各線均應計入ZK活載作用。對于雙線橋梁，設計中考慮兩線ZK活載，救援起重機進行救援時，橋上線路一線封閉另一線救援，救援起重機荷載作用下橋梁的豎向承載能力一般能夠滿足設計要求；而對于單線橋，設計中只考慮一線ZK活載，救援起重機自力走行或橋上打支腿作業時對橋梁的作用效應若超過設計活載效應，超過量應小于滿足《橋梁檢定規范》中梁體抗裂安全系數前提下活載允許的提高量。

考慮救援起重機在橋上不同位置打支腿的各種工況，將支腿荷載作為縱向移動荷載列進行加載。檢算橋梁豎向受力時，按主力組合與原設計荷載效應進行比較，由于結構自重與二期恒載保持不變，即只需比較救援起重機活載與提高后設計活載作用下的內力值。根據活載內力比較結果，救援起重機荷載對結構的作用效應若不超過提高后的活載效應，則不需要對梁體進行相關檢算；若超過則需對梁體進行全面檢算。

按文獻［5］中表6.1.5，構件在主力+附加力作用時抗裂安全系數≥1.2；按文獻［3］第6.3.2條，不容許出現拉應力的構件檢算使用階段抗裂安全性，在主力+附加力作用時安全系數≥1.1，即在做橋梁檢算時構件的抗裂安全系數Kf由1.2降為1.1，而混凝土正應力 σ可提高至1.2/1.1≈1.091倍，即荷載彎矩 M可以提高9.1%。

在高鐵（客專）單線簡支箱梁中恒載所占比例較高，一般恒活比 ＞2∶1。救援起重機在自力走行作業時，原橋的自重與二期恒載不變，與原設計相比增加的荷載僅為活載項，按最小恒活比2∶1考慮，則有 M= M自重+M二期+M活載=3M活載，當荷載彎矩提高9.1%，活載彎矩則可提高27.3%，即救援起重機荷載與 ZK活載引起的荷載效應＜1.273時，梁體的抗裂安全系數至少為1.1，滿足規范規定。

5.2極限荷載檢算

高鐵救援起重機在橋梁上不打支腿吊重走行方式即自力走行作業，是救援起重機吊著重物在軌道上行駛，速度為10 km/h，作業中救援起重機轉臺和重物不回轉，作業時在救援起重機兩端各增加一個輔助支承轉向架。此時救援起重機作業見圖4。

圖4　救援起重機自力走行作業（單位：mm）

救援起重機在單線橋梁上自力行走時在吊重情況下車軸載荷由12軸承擔，在雙線橋梁上自力走行時由前10軸承擔，2種工況下最大工作極限荷載軸重見表2，檢算結果見圖5。

表2　自力走行吊重工況極限荷載軸重　kN

由圖5可知，救援起重機在單線橋梁上限速10 km/h后自力行走時最大活載系數Q為1.261，小于1.273的限值要求，滿足橋梁豎向檢算的要求；當救援起重機進行救援時，考慮一線線路封閉，限速10 km/h后最大活載系數Q為1.598，小于2倍ZK設計活載，故救援起重機在雙線橋梁上自力行走時也滿足橋梁豎向檢算的要求。

圖5　吊重自力走行檢算

6　橋上作業工況檢算

高速鐵路中各線根據自身特點選取的箱梁截面尺寸略有不同，但設計時都經過檢算，在豎向及橫向均滿足鐵路規范的要求。本文以京滬高鐵24，32 m雙線箱梁（圖號：京滬施（2008）2322A）及合蚌客專24，32 m單線箱梁（圖號：合蚌客專施（橋）參）為例進行相關檢算，箱梁截面見圖6。

圖6　京滬高鐵32 m雙線箱梁、合蚌客專單線箱梁截面（單位：cm）

救援起重機在高鐵箱梁橋上打支腿作業時，控制梁體承載能力檢算的主要內容：①救援起重機在單線橋上不同位置吊重作業時梁體的豎向承載力檢算；②救援起重機在雙線橋上吊重作業時橋面板的橫向受力檢算。

6.1豎向承載力檢算

為模擬救援起重機在橋上隨機位置進行吊重作業的情況，將救援起重機在單線橋上吊重時的心盤及支腿荷載簡化為集中荷載（見圖7），沿全橋不同位置進行加載，并把加載得到的最大內力值與設計ZK活載（見圖8）的內力值進行比較。

圖7　救援起重機在單線橋上吊重作業時加載圖式

圖8　設計ZK活載加載圖式

救援起重機在單線橋上吊重至橋下作業時產生的最大跨中彎矩與設計ZK活載產生的最大跨中彎矩見表3。

通過分析可知，救援起重機進行以上作業時與設計ZK活載產生的最大跨中彎矩之比均小于按文獻［3］推定的跨中彎矩最大27.3%的增量，滿足抗裂安全系數1.1要求。

表3　單線橋上救援起重機與ZK活載產生的最大跨中彎矩

6.2橋面板橫向受力檢算

救援起重機在雙線橋上吊重作業時橋面板橫向受力按實體模型計算，橋梁橫向應力云圖如圖9所示。

救援起重機在雙線橋上吊重作業時箱梁橋面板跨中截面受力最不利，有限元實體模型按彈性理論計算的橋面板上、下緣橫橋向應力見表4。高鐵24，32 m箱梁未設置橫向預應力，橋面板按普通鋼筋混凝土構件設計，因此需按鋼筋混凝土構件設計理論對混凝土壓應力與鋼筋拉應力進行檢算，檢算結果參見表4。表中，拉應力為正，壓應力為負；C50混凝土中心受壓時容許壓應力為13.4 MPa，彎曲受壓時為16.8 MPa；HRB335鋼筋主力作用時容許拉應力為180 MPa，主力+附加力作用時為230 MPa。

計算結果表明，箱梁橋面板跨中截面按鋼筋混凝土構件計算的混凝土壓應力、鋼筋拉應力滿足文獻［5］要求。

圖9　雙線橋上作業梁體橫向應力（單位：MPa）

表4　箱梁橋面板按實體模型計算與按鋼筋混凝土構件檢算應力　MPa

7　結論

本文對一種新型適用于高鐵橋梁上緊急救援的起重機進行了橋上通行及作業時橋梁承載能力的檢算，得到以下主要結論：

1）救援起重機在DF4或HXD3牽引編組回送時，均可全速通過ZK活載設計的各種跨度橋梁。

2）救援起重機吊重自力走行時能夠滿足單線和雙線橋梁的豎向檢算要求。

3）救援起重機在橋梁上打支腿作業時，各檢算工況作用下常用跨度預應力混凝土簡支梁豎向承載力、橋面板橫向受力檢算結果均滿足規范要求。

［1］陶曉燕，劉吉元.高鐵救援起重機橋梁通過及承載技術咨詢報告［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2014.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2331—2004鐵路橋梁盆式橡膠支座［S］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［3］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.

［4］中華人民共和國鐵道部.鐵道部令第34號鐵路主要技術政策［Z］.北京：中國鐵道出版社，2013.

［5］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，2005.

（責任審編孟慶伶）

Inspection and Evaluation of Bearing Capacity of High Speed Railway Birdge Girders Under Passing of a New Type of Rescue Crane

HUI Ruhai
（The Beijing-Shanghai High-speed Railway Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

T he bearing capacity of a simply support box girder under Passing of a new type of rescue crane was studied.T he box girders applied in bridges in double-line Beijing-Shanghai high speed railway and one-line Hefei-Bengbu high speed railway were case-studied.T he results indicate that the rescue crane with the locomotive traction of DF4or HXD3can pass all-span bridges designed with ZK live load at full speed.In the vertical direction，the stress meets the requirements when the crane passes the bridge with loads.W hen the landing legs of crane are used，the vertical bearing capcity of general span simply support box girder and transverse bearing capcity of the bridge deck of the box girders meet the requirements of code in all load cases.

High speed railway；Rescue crane；Pass（work）；Bearing capacity；Inspection and evaluation

U441+.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.06

1003-1995（2016）08-0026-05

2016-04-15；

2016-05-20

惠如海（1963— ），男，高級工程師。