架橋機(jī)通過鐵路連續(xù)鋼桁梁安全性分析

李曄明

(天津港基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)運(yùn)營工程管理有限公司，天津 300450)

連續(xù)鋼桁梁橋是鐵路橋梁的一種主要形式，對該類型橋梁的研究主要集中于鋼桁梁橋梁的設(shè)計(jì)、施工、荷載試驗(yàn)、列車荷載下的受力分析[1-4]等方面，對特種荷載作用下該橋型的力學(xué)性能研究較少。

某些工況受施工環(huán)境影響，無法實(shí)現(xiàn)橋下臺車換架時(shí)，一般采用線上運(yùn)梁平車運(yùn)梁，架橋機(jī)換架方案。該施工方式需要在部分既有橋梁通過架橋機(jī)和運(yùn)梁平車，這兩種工程機(jī)械荷載一般超過正常運(yùn)營列車荷載，有必要對這類特種荷載過橋時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行評估。

1 工程概況

某單線鐵路橋梁全長2 895.83 m，由5孔1聯(lián)288 m連續(xù)鋼桁梁橋和79孔32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁組成。

連續(xù)鋼桁梁孔跨布置為48 m+3×64 m+48 m，主桁結(jié)構(gòu)為帶豎桿的華倫式下承桁架，桁高11 m，桁寬5.75 m，節(jié)間8 m，大節(jié)點(diǎn)間距16 m，主體結(jié)構(gòu)鋼材選用16Mnq鋼，全橋上部結(jié)構(gòu)總重約890 t(含全部鋼結(jié)構(gòu)、連接螺栓及人行通道混凝土道板等)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為“中-活載”，目前主要運(yùn)營機(jī)車車輛最大軸重25 t(DF8B)，貨車車輛C70最大軸重23 t。

跨高速公路的第29、30 孔梁下凈空較小，多次受到車輛撞擊受損嚴(yán)重，計(jì)劃進(jìn)行換架施工以確保橋梁運(yùn)營安全。受交通和施工環(huán)境限制，無法實(shí)現(xiàn)橋下臺車換架方案，擬采用線上運(yùn)梁平車運(yùn)梁，架橋機(jī)換架方案，現(xiàn)場施工如圖1所示。架橋機(jī)換梁前及運(yùn)梁平車運(yùn)梁時(shí)需通過既有連續(xù)鋼桁梁橋，由于橋機(jī)及運(yùn)梁車運(yùn)梁時(shí)軸重較大，因此，需對既有鋼桁梁橋進(jìn)行通行安全性評估。采用自重256 t的DJK160 型架橋機(jī)，轉(zhuǎn)向架采用前五后四布局，共計(jì)9 軸，橋機(jī)懸臂行走狀態(tài)下前軸重32 t。架橋機(jī)和運(yùn)梁平車軸距相同，架橋機(jī)走行時(shí)軸重大于運(yùn)梁車負(fù)重時(shí)軸重，所以只分析架橋機(jī)走行時(shí)連續(xù)鋼桁梁的安全性即可。

圖1 架橋機(jī)線上換架T梁施工

2 橋梁整體受力荷載效應(yīng)對比

架橋機(jī)走行時(shí)最大軸重32 t，大于中-活載的最大軸重，但架橋機(jī)相比列車軸數(shù)少總重量小，橋跨承受的總體荷載小。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)施工圖紙的結(jié)構(gòu)桿件尺寸和支座形式，利用Midas的梁單元建立全橋有限元模型，分析荷載對于橋梁的整體效應(yīng)，鋼桁梁有限元模型如圖2所示。施加的荷載為中-活載、運(yùn)營荷載C70及架橋機(jī)荷載，荷載圖式如圖3～圖5所示。

圖2 鋼桁梁橋有限元模型

圖3 中-活載圖式(單位：m)

圖4 運(yùn)營列車C70活載圖式(單位：m)

圖5 架橋機(jī)活載圖式(單位：mm)

中-活載和架橋機(jī)走行時(shí)橋梁的彎矩和剪力計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，架橋機(jī)走行自重作用下與中-活載作用下橋梁總體靜力荷載效應(yīng)比最大值0.69，故架橋機(jī)走行時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)整體安全儲備較大。

表1 兩種荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)對比

3 橋梁局部桿件荷載效應(yīng)

架橋機(jī)走行時(shí)橋梁整體荷載效應(yīng)遠(yuǎn)小于中-活載，但其最大軸重32 t大于中-活載及運(yùn)營列車軸重荷載，需考慮架橋機(jī)活載對橋梁局部構(gòu)件的影響。

3.1 主桁桿件

分析結(jié)果表明，鋼桁梁橋桿件主要承受軸力作用，各桿件軸力統(tǒng)計(jì)見表2。主桁桿件除豎桿荷載效應(yīng)是設(shè)計(jì)荷載的1.34倍外，其它各桿件荷載效應(yīng)均小于設(shè)計(jì)荷載，且小于運(yùn)營列車C70荷載效應(yīng)。導(dǎo)致豎桿荷載效應(yīng)較大的原因是架橋機(jī)5個(gè)集中荷載作用范圍僅5 068 mm，荷載作用非常集中。

3.2 橋面系桿件

橋面系桿件主要包括縱橫梁，架橋機(jī)荷載集度大，對橋面系局部縱橫梁影響明顯。架橋機(jī)荷載產(chǎn)生的縱梁最大彎矩值為534.7 kN·m，中-活載產(chǎn)生的縱梁最大彎矩值409.4 kN·m，運(yùn)營列車C70產(chǎn)生的最大彎矩值為381.4 kN·m，架橋機(jī)荷載與中-活載效應(yīng)比是1.31。縱梁在三種荷載作用下的邊跨和中跨彎矩包絡(luò)如圖6所示。

圖6 不同荷載作用下縱梁彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

表2兩種荷載作用下主桁桿件內(nèi)力值對比

橫梁主要承受縱梁傳遞的荷載，并通過豎桿和節(jié)點(diǎn)板傳給主桁架。三種荷載作用下橫梁最大彎矩值：架橋機(jī)荷載為988.8 kN·m，中-活載作用下為829.9 kN·m，運(yùn)營列車C70作用下為615.2 kN·m，架橋機(jī)荷載與中-活載效應(yīng)比是1.19。

3.3 局部桿件

架橋機(jī)軸重大且軸距小，走行時(shí)連續(xù)鋼桁梁豎桿產(chǎn)生的軸力是中-活載的1.34倍，橋面系縱梁最大荷載效應(yīng)是中-活載的1.31倍、橫梁最大荷載效應(yīng)是中-活載的1.19倍。架橋機(jī)5重軸中心與該豎桿位置順橋向重合時(shí)，該豎桿軸力最大，最不利工況架橋機(jī)位置如圖7所示。

圖7 豎桿最不利架橋機(jī)過孔工況

架橋機(jī)走行速度小于5 km/h為準(zhǔn)靜態(tài)荷載，可不考慮動力系數(shù)。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮動力系數(shù)1+μ=1+28/(40+L)，L為橋梁跨度，中跨L=64 m,動力系數(shù)為1.269。豎桿及縱梁荷載效應(yīng)比均大于1.269，不滿足規(guī)范要求。

4 架橋機(jī)減載后荷載效應(yīng)

4.1 架橋機(jī)減載方案

為使架橋機(jī)行走過程不對既有鋼桁梁造成損傷，需對架橋機(jī)進(jìn)行減載。分析架橋機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最有效的減載途徑是減小軸重。架橋機(jī)走行時(shí)前端懸臂長度26 m，臨時(shí)拆除重量5.2 t的零號柱軸重減小至29.3 t，可按30 t計(jì)算。架橋機(jī)正常走行狀態(tài)及零號柱位置如圖8所示。

圖8 架橋機(jī)正常走行狀態(tài)(單位：mm)

4.2 減載后荷載效應(yīng)分析

架橋機(jī)走行時(shí)與中-活載比較荷載效應(yīng)較大桿件包括豎桿、縱梁和橫梁，減載后豎桿最大內(nèi)力為511.5 kN，荷載效應(yīng)比為1.23；縱梁最大彎矩為470.5 kN·m，荷載效應(yīng)比為1.15；橫梁最大彎矩為909.9 kN·m，荷載效應(yīng)比為1.10。減載后各桿件荷載效應(yīng)比均有所降低，最大值均小于動力系數(shù)1.269，計(jì)算結(jié)果表明鋼桁梁橋的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

最不利荷載作用下，橋面系縱梁的最大組合應(yīng)力為190.1 MPa，橫梁的最大組合應(yīng)力為152.1 MPa，豎桿在架橋機(jī)過孔時(shí)產(chǎn)生的最大組合應(yīng)為76.9 MPa，鋼桁梁橋主體結(jié)構(gòu)采用16Mnq鋼，最不利荷載工況的最大應(yīng)力均未超過材料容許應(yīng)力[σ]=210 MPa。橋面系縱橫梁最大組合應(yīng)力分布如圖9、圖10所示。

圖9 縱梁最大組合應(yīng)力分布(單位：MPa) 圖10 橫梁最大組合應(yīng)力分布(單位：MPa)

5 結(jié)論

(1)架橋機(jī)軸重較大，自重荷載與中-活載作用下局部桿件的靜力荷載效應(yīng)比較大，其中豎桿最大值為1.34、縱梁最大值為1.31，均大于橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的動力系數(shù)，需要對架橋機(jī)自重進(jìn)行減載。

(2)架橋機(jī)拆除自重 5.2 t 的零號柱后，可使其軸重減少至30 t。減載后與中-活載比較，架橋機(jī)整體和局部桿件的彎矩、軸力等荷載效應(yīng)比均小于動力系數(shù)1.269，且最不利荷載工況下各桿件的組合應(yīng)力值均小于材料容許應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(3)分析基于架橋機(jī)行駛速度小于5 km/h，架橋機(jī)自重荷載為準(zhǔn)靜態(tài)荷載不考慮動力系數(shù)，所以施工中需嚴(yán)格控制架橋機(jī)走行速度，禁止緊急制動和加速，避免沖擊荷載對橋梁造成損傷。