48 m半穿式钢梁提速改造设计

凌夏青

(中铁上海设计院集团有限公司， 上海 200070)

48 m半穿式钢梁提速改造设计

凌夏青

(中铁上海设计院集团有限公司， 上海 200070)

为了使既有48 m单线半穿式栓焊钢桁梁满足提速要求，根据以往工程实践，提出了加固下弦杆、下平纵联的改造方案。建立桥梁的多自由度有限元模型，进行动力响应分析，论证改造方案的效果。

48 m半穿式钢梁 改造 动力分析

宁启铁路复线电气化改造工程(以下简称宁启)区间设计时速200 km。而既有宁启铁路在2004年通车，全线设计时速为120 km。既有线钢梁共计14处，提速后废弃9座，位于限速段的3座，位于提速段既有48 m半穿式钢梁桥共计2处，分别为跨盐靖高速大桥，串场河中桥。既有宁启线通车仅10年，废弃既有钢梁桥不但经济损失大，而且社会影响大，所以设计对提速段的2座48 m钢梁进行提速改造研究。

图1 既有48半穿式钢桁梁

1 桥梁动力分析模型

既有48 m半穿式单线简支钢桁梁桥采用图号为专桥(01)0101，主桁高度5.5 m，主桁中心距6.0 m，节间长度4 m。桥面系采用纵横梁结构体系，纵梁高度为420 mm，横梁高度为855 mm。平纵联采用三角形，截面为工形，弦杆截面高度为440 mm、宽度为460 mm。钢梁材质为16Mnq钢(如图1)。

桥梁采用多自由度有限元模型，以空间梁单元为基本单元，因桥墩台很矮，故未考虑其影响，支座的约束条件通过约束相应的位移来处理。二期恒载采用1.0 t/m，作用于整个下平联平面上，结构自重根据设计图上提供数值等效成材料容重。

桥梁结构采用一致刚度矩阵和一致质量矩阵，由于精确地决定结构的阻尼矩阵相当困难，因此将实际结构的阻尼简化为结构总刚度阵和质量阵的线性组合，即

(1)

这种阻尼称为比例阻尼或振型阻尼。M和K为结构的整体质量矩阵和刚度矩阵。

采用瑞利阻尼，瑞利阻尼阵C可由式(1)表示，且

(2)

上式中，ω1、ω2、ξ1、ξ2分别为结构的一阶二阶自振频率与相应的阻尼比。对钢桥而言，ξ1、ξ2一般取为1%。有限元模型渲染见图2。

2 车型、编组及轨道不平顺谱选取

2.1 车型及编组

根据宁启复线提速改造设计目标，结合全路主力车型，选取下面3种车型及编组：

(1)韶山3型机车+20×C70重车，车速80、90、100、110、120 km/h；

(2)韶山3型机车+20×C80重车，车速80、90、100、110、120 km/h；

(3)CRH2动车组，8辆编组，车速180、200、220、240、250 km/h

2.2 轨道不平顺谱选取

机车车辆产生振动引起的重要原因是轨道不平顺，考虑到国内有砟轨道一般与美国五级轨道谱大体相当，即比美国五级线路谱要好，比美国六级线路谱要差。本次分析对货车工况采用了美国五级谱模拟线路状态，对CRH2动车组则采用美国六级谱生成的轨道不平顺时域模拟样本进行计算。

3 桥梁改造方案

48 m半穿式钢梁提速的主要问题在于横向刚度不足，导致横向自振频率及横向振幅超限。加固方案主要有以下两种措施。

加固措施一：对主桁下弦进行加强，在H形杆件内外侧四个角设置角钢与其连接，用以增加下弦杆的有效截面，加大主桁刚度，减小横向振幅。同时在每一个节间设置了两处缀板，将四个角刚箍紧。施工时，先在下弦杆上将拼接螺栓孔钻好，解开节点板上与加强角钢连接的原有高强螺栓，随即安装加强角钢。加强角钢应逐个安装，待加强角钢全部安装完毕后，再在节点位置安装拼接板。见图3。

图3 下弦杆加固断面(单位：mm)

加固措施二：对主桁下平纵联进行杆件更新改造，见图4。

图4 下平联加固断面(单位：mm)

高强度螺栓施工应按照铁路高强度螺栓连接施工规定执行。高强度螺栓连接表面的处理，有条件时应采用喷丸(砂)除锈，必须将表面油污、氧化皮和铁锈及其他杂物清楚干净，再喷铝或涂装无机富锌防锈抗滑涂料。确有困难时，可采用火焰或钢丝刷除锈，除掉油漆及氧化皮，保证摩擦系数在0.35以上。改造安装完毕后，钢梁表面油漆损伤部位必须清理干净，涂装底漆、中间漆和面漆。

4 桥梁自振频率及振型

桥梁横向自振频率是控制桥梁横向振动的主要参数，反映了桥梁横向刚度的大小。从铁路6次提速的经验来看，桥梁横向振动是既有线提速存在的突出问题。

根据《既有线提速200 km/h技术条件》要求，简支梁横向一阶弯曲自振频率应满足

nh≥60/L0.8

其中L为桥梁跨度/m。

表1为加固前自振动频率的计算结果。

表1 加固前自振频率计算结果

5 车桥动力仿真分析

5.1 行车安全和乘坐舒适度评定指标

列车运行安全性采用脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向摇摆力几个参数来限定。

乘坐舒适度评定指标采用列车运行平稳性指标

5.2 桥梁动力响应限值

参照《铁路桥涵检定规范》，本桥由于采用明桥面，动力响应限值如下：桥梁的最大垂向加速度amax≤0.5g。桥梁最大横向加速度amax≤0.14g。

跨中横向振幅安全限值：

L/(75L+3500)=6.761 mm

货物列车重车通过时跨中横向振幅通常值(V≤80 km/h，支座中心距6.0 m)：

L/(2.2B)=3.636 mm

客车重车通过时跨中横向振幅通常值(V≤200 km/h，支座中心距6.0 m)：

L/(4.6B)=1.739 mm

5.3 动力响应分析

(1)钢桁梁加固前的分析结果

在车速120 km/h工况下，轮重减载率超出限值，其他所有工况均满足轮重减载率均小于0.6，脱轨系数小于0.8，行车安全性能满足要求。

美国六级谱条件下，CRH2客车在车速180～200 km/h范围内垂向舒适度达到良，横向舒适度为良，在车速220～250 km/h范围内垂向舒适度达到良，横向舒适度为合格。

钢桁梁加固前在客车通过条件下的跨中横向振幅最大值为1.448 mm，满足《桥检规》通常值1.739 mm的要求，货车通行条件下跨中横向振幅最大值为4.629 mm，超出《桥检规》通常值3.636 mm的要求，但满足6.761 mm的安全限值。

(2)钢桁梁加固后的分析结果

在车速120 km/h工况下，轮重减载率和脱轨系数超出或接近限值，其他所有工况均满足轮重减载率均小于0.6，脱轨系数小于0.8，行车安全基本满足要求。

美国六级谱条件下，CRH2客车在车速180～220 km/h范围内垂向舒适度达到优，横向舒适度为良，在车速240～250 km/h范围内垂向舒适度达到良，横向舒适度为合格。

钢桁梁加固后在客车通过条件下的跨中横向振幅最大值为1.313 mm，满足《桥检规》通常值1.739 mm的要求，货车通行条件下跨中横向振幅最大值为2.273 mm，满足《桥检规》通常值3.636 mm的要求。

6 结束语

48 m单线半穿式栓焊钢桁梁整体加固改造提速至200 km/h客货共线铁路国内尚没有实例，通过车桥耦合振动理论对车辆过桥引起车桥耦合振动进行仿真模拟分析，研究车辆过桥时的走行性、抗脱轨安全性以及桥梁动力响应，论证了半穿式钢桁梁加固方案的可行性，为今后铁路钢桁梁提速改造提供了参考借鉴。

[1] TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范[S]

[2] 铁运函[2004]铁路桥梁检定规范[S]

[3] 铁科技函[2006]既有线提速200 km/h技术条件[S]

[4] 周涛.高速列车对建筑结构的振动影响[D].长沙：中南大学，2009

[5] 孙颖.既有铁路钢桁梁桥动力特性及横向刚度加固研究[J].石家庄铁道学院学报，2007(1)

[6] 张维超.跨度48 m半穿式钢桁梁横向刚度加固研究[J].国防交通工程与技术，2007(2)

[7] 孙志杰.既有铁路钢桁梁桥运营性能的检测与评价[J].石家庄铁道学院学报，2010(4)

[8] 陈万春.既有连续钢桁梁桥的加固后工作状态模拟[J].长安大学学报，2006(1)

48mhalfthroughreconstructiondesignofbeam

LING Xia-qing

2014-05-26

凌夏青(1975—)，男，1998年毕业于同济大学，工学学士，高级工程师。

1672-7479(2014)04-0105-03

U445.7+2

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