下承式鋼桁梁橋評估和橫向剛度加固設計

蘇乾坤

(蘭州理工大學理學院， 甘肅 蘭州 730050)

下承式鋼桁梁橋評估和橫向剛度加固設計

蘇乾坤

(蘭州理工大學理學院， 甘肅 蘭州 730050)

通過對一座既有鋼桁梁橋主要受力桿件的計算分析可知，上弦桿、下弦桿、斜腹桿及豎桿的承載系數K值為1.16～4.08，具有較大的安全儲備。但H2、B3節點板抗剪切強度和B3、H4和H6抗撕裂強度不足，采取在原節點板處外貼12 mm厚的Q235q鋼板，其抗剪切強度和抗撕裂強度均滿足要求。增大下平縱聯、端橫聯及中間橫聯面積，橋梁自振頻率均提高6.6 %～24.3 %，跨中梁體橫向振幅明顯減小，橋梁屈曲特性指標滿足列車安全走行性要求。

下承式； 鋼桁梁橋； 評估； 橫向剛度； 加固設計

鋼橋構件憑借其強度高、跨越能力大、安裝速度快、便于運輸、最適于工業化制造、構件易于維修和更換等優點[1]，在鐵路線路跨越河流、山谷等障礙物時，橋梁工程師越來越多考慮鋼橋作為跨越這些障礙物較優的選擇。據統計，我國現有鐵路鋼橋3 300多座，其中將近一半橋梁建造于20世紀五六十年代，而且絕大多數橋梁為中小跨度的橋梁，其中跨度小于32 m的鋼橋約占鋼橋總數的70 %。鑒于我國目前鐵路運營速度不斷提高、交通運量迅速增長、行車密度日益增加、運輸荷載逐漸加大等現狀，現役鋼橋中的部分橋梁已不能滿足車輛提速后的安全運營需求。為了能夠適應當前和今后鐵路運輸網絡的安全、可靠運營要求，對存在安全隱患的既有鋼橋進行加固維修迫在眉睫。本文以一座下承式鋼桁梁橋為工程背景，初步探討該類型橋梁承載能力評估及加固方法，為橋梁的維修、加固及管理提供技術依據。

1 既有鋼橋加固研究現狀

在列車運行速度的不斷提高、載貨量不斷增加的背景下，如何行之有效的判別既有鐵路鋼桁架梁橋是否滿足目前列車走行性的安全要求顯得尤其重要。松浦章夫[2]假定靜活載產生的橋梁豎向撓度為正弦半波，用半個車輛作計算模型，以不同速度通過連續布置的簡支梁橋，研究車輛與橋梁體系的非定常振動及定常振動，求出車體豎向振動加速度和輪重減少率，進而確定橋梁的豎向撓度限制值。李國豪[3]指出對于桁梁橋，控制橫向剛度要求的不是側傾穩定，而是橫向振動。郭向榮等[4]提出鋼桁梁橋橫向剛度限值-容許極限寬跨比B/L計算原理，對連續鋼桁梁橋的橫向剛度進行分析，并取得良好效果。目前，針對既有鋼橋加固的方法主要有：維持原結構受力體系法(如加大構件截面、采用新材料等)、改變結構受力體系法(簡支變連續、施加體外預應力、增加主桁片、增加支墩、施加斜拉索等)[5-6]。顧萍等[7]指出下承式鋼桁架梁橋易采用增大下平縱聯截面尺寸的加固方式用來改善橋梁橫向振動。劉守龍[8]認為對于下承式鋼桁梁宜采取增強橋門架剛度及上平聯桿件垂直面剛度的措施提高橋梁的橫向剛度。在加固設計時，需依據橋梁實際狀況，因地制宜，選擇合理有效的加固方式。

2 工程實例分析

2.1 工程簡介

該橋位于甘肅省蘭州市境內，是一座為跨越黃河而修建的下承式簡支鋼桁架單線鐵路橋。鋼桁梁橋由兩片主桁架組成，其間距5.784 m，桁架高8.5 m。主桁端部設置端橫聯，中間豎桿位置處分別設置中橫聯。該橋每孔由12節間構成，節間長度均為5.5 m。橋面系采用縱橫梁體系，即自端部起，在每個下弦桿節點處設置高度為1.21 m的鋼橫梁。同時，在鋼橫梁上設置縱梁，其間距為2 m，梁高1.21 m。該鋼桁梁橋結構見圖1。橋上線路為單線、平坡、直線，設計荷載標準：中-22級，墩臺中-22級，抗震設防烈度8度，墩臺為沉井基礎。

圖1 鋼桁梁橋結構

2.2 承載能力評定

由規范[9]可知，通過檢定橋梁構件的承載系數K，可判斷其承載力是否滿足列車走行性要求。對于桁架梁橋，需要對桿件截面的強度及穩定、連接及接頭的強度等進行檢算，以確定其承載能力是否滿足要求。

2.2.1 主桁桿件

主桁桿件的承載系數計算結果如下表1所示。由表1可知，主桁架的上弦桿、下弦桿、斜腹桿及豎桿的承載系數K取值范圍為1.16～4.08，均大于1，表明主桁架各桿件的承載能力滿足規范要求，且具有較大的安全儲備。

表1 主桁桿件的承載系數計算結果

2.2.2 節點板

在鋼桁梁橋中，節點板是把交匯在節點處的各桿件聯結為一個整體，起到重要的傳力作用。通過合理設計，使節點板具有可靠的連接性能，對整個結構整體性、可靠度以及后期的安全運營尤為重要。節點板作為各桿件的連接件，受力十分復雜，檢算時主要對節點板抗撕裂強度、節點中心豎向截面法向應力強度和節點板水平抗剪強度進行相應計算分析。

(1)節點板抗撕裂強度檢算。根據節點板開孔位置，對可能撕裂的最危險截面進行計算，部分節點板抗撕裂強度計算結果見表2所示。由表2可知，節點板B3與 B3H4桿連接一側存在一個可能撕裂面的凈截面抗撕裂強度小于該桿件凈截面強度的1.1倍，故不滿足要求。同時，節點板H4和節點板H6也存在抗撕裂強度不足。因此，需對節點板B3、H4、H6節點板進行加固處治。

(2)節點中心豎向截面法向應力強度檢算。節點中心處豎向截面法向應力承載力系數為1.88～2.51，均大于1，滿足規范要求。

(3)節點板水平抗剪強度檢算。節點板H2、B3的水平剪應力檢定承載系數分別為0.42、0.81，其余節點板的水平剪應力檢定承載系數均大于1。因此，節點板 H2、B3的水平抗剪強度不足，需要加固。

表2 節點板抗撕裂強度計算結果

2.2.3 縱橫梁

橫梁為橫向受彎構件，與橋面板共同承受橋面荷載作用，縱梁為橫梁提供彈性支撐，使得列車荷載經由縱梁傳至橫梁，再通過橫梁傳至主桁節點。縱橫梁承受的局部荷載較大，需要對縱橫梁彎曲力矩、剪力、穩定性等進行承載力檢算。由于篇幅有限，在此僅列舉縱橫梁梁端連接檢算結果。

(1)橫梁(β=1.1)

k(λ=16, a0=0.5)=119.4×1.5=179.1

(2)縱梁(β=1.2)

k(λ=16, α0=0.5)=119.4×1.5=179.1

橫梁與主桁連接處承載力滿足要求。

2.2.4 主桁平縱聯接系長細比

主梁聯結系桿件的長細比的計算結果見表3所示。由表3可知，上下平縱聯接系的長細比均小于規范[9]縱向聯結系、支點外橫向聯結系、制動聯結系容許最大長細比為130、中間橫向聯結系容許最大長細比為150的要求。

表3 上下平縱聯接系長細比

3 動力測試

隨著運輸量的增加，列車過橋時該橋的橫向振動較為明顯，在一定程度上危及行車安全。結合該橋的既有現狀，對該橋進行動力試驗測試，判斷該橋梁能否繼續滿足目前鐵路安全行駛要求。利用編組試驗車以同一速度級通過橋梁，在鋼桁梁下弦桿跨中布置橫向振幅測點，實測橋跨跨中的最大橫向振幅，并結合振動時程曲線，判定橋梁狀態。該鋼桁梁橫向振動實測典型波形見圖2、圖3。鋼桁梁跨中橫向振幅分析結果見表4所示。

圖3 鋼桁梁振動波形(上行13.9 km/h)

表4 鋼桁梁跨中橫向振幅計算結果

通過對該橋橫向振動典型實測波形分析可知：該橋跨中橫向振幅未超出行車安全限值L/5500(即12.000 mm)；試驗貨車正常通過時，鋼桁梁跨中的實測振幅值的上限略微超出最大振幅通常值(即2.995 mm)。因此，需要對該橋的橫向剛度進行加固處理，以便滿足列車安全運營要求。

4 加固設計

4.1 節點板加固設計

針對H2、B3處節點板抗剪切強度和B3、H4和H6抗撕裂強度不足的現狀，采取在原節點板處外貼厚度為12 mm的Q235q鋼板，其形狀、栓孔等均與原節點板保持一致，便于加固施工、后期維修養護。

加固后H2節點板的剪應力：

加固后B3節點板的剪應力：

加固后抗撕裂強度：

519.36[σ]>1.1Aj[σ]=225.4 [σ]

加固后H4和H6抗撕裂強度：

448.92[σ]>1.1Aj[σ]=222.4 [σ]

通過加固設計，節點板抗剪切強度和抗撕裂強度均滿足要求，取得良好的加固效果。

4.2 鋼桁梁橫向加固設計

通過該橋動力加載實測結果分析可知，橋梁橫向振動過大的主要原因是由于梁體的橫向自振頻率與貨物列車運行時的蛇形運動頻率接近，導致列車過橋時橋梁出現較大的橫向振幅。采用增大梁體橫向剛度的加固方法，以提高橋梁橫向振動頻率，減小列車過橋時橋梁的橫向振幅。加固措施：下平縱聯角鋼2∠100×75×8變換成2∠200×125×18。即2塊角鋼外側各加1塊變截面角鋼與原角鋼鑲嵌在一起，厚度為10mm和18mm的鋼板(合并為2∠200×125×18，Q235q)。下平縱聯加固方式如圖4(陰影部分為加固前的桿件，外側構件為加固鋼板)。同時，在原橋每隔1個節點設置1個中間橫聯的基礎上增加和橋門架(中間橫聯)一致的橫向連接系，提高橋梁橫向整體剛度。即在H2B2、H4B4、H6B6桿件內側增加一塊厚度為10mm寬度為100mm的鋼板(Q235q)，橫向連接系加固見圖5所示。

圖4 下平縱聯加固(cm)

圖5 桿件H2B2、H4B4、H6B6加固(cm)

結合該橋結構受力特點和加固前后的構件截面特性，采用有限元仿真分析軟件Midas/Civil建立該鋼桁梁橋梁單元全橋模型，見圖6所示。結合該線路列車編組運行現狀進行加載，對該橋加固前后的穩定性進行屈曲特性分析。該橋加固前后橋梁橫向自振頻率見表5。通過對加固前后橋梁橫向自振頻率對比可知：加固后，橋梁的前5階自振頻率均得到提高，提高系數為6.6 %～24.3 %，表明加固后該橋自振頻率得到顯著提高，跨中橫向振幅明顯減小，橋梁屈曲特性指標滿足列車安全走行性要求。

圖6 鋼鋼桁梁橋有限元模型

表5 加固前后橫向自振頻率對比

5 結束語

通過詳細的計算分析可知，該鋼桁梁橋主桁架、縱橫梁受力特性良好，主桁平縱聯接系長細比滿足規范要求。但在H2、B3處節點板抗剪切強度和B3、H4和H6抗撕裂強度存在不足，采取在原節點板處外貼12 mm厚Q235q鋼板，其形狀、栓孔等均與原節點板保持一致，加固后節點板強度滿足規范要求。動力試驗表明：該橋跨中橫向振幅未超出行車安全限值L/5500(即12.000 mm)；但當試驗貨車正常通過時，鋼桁梁跨中實測振幅值的上限超出最大振幅通常值(2.995 mm)。通過加大下平縱聯、端橫聯和中間橫聯面積的方式，提高橋梁橫向整體剛度，使得橋梁前5階自振頻率均得到提高，提高系數為6.6 %～24.3 %，表明該加固后橋梁自振頻率顯著提高，跨中橫向振幅明顯減小，橋梁屈曲特性指標滿足列車安全走行性要求，達到預期的加固要求。因此，采用常規檢測、動力試驗以及仿真分析相結合的方式對下承式鋼桁梁橋的承載能力進行綜合性評估是一種行之有效的手段，也為后期橋梁養護、維修提供一定的技術參考。

[1] 蘇彥江.鋼橋構造與設計[M].成都:西南交通大學出版社,2006.

[2] 松浦章夫,周德珪.高速鐵路上橋梁動力性能的研究[J].國外橋梁， 1980(2).

[3] 李國豪. 橋梁結構穩定與振動[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

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[7] 顧萍,顧建新,吳定俊,等.下承式鋼板梁橋橫向剛度加固研究[J].中國鐵道科學,2005(1).

[8] 劉守龍.提高橋梁橫向剛度的措施和效果[J].鐵道建筑， 2000(11).

[9] 鐵運函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規范[S].

蘇乾坤(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁評估與健康監測。

U445.7+2

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[定稿日期]2016-08-09