一种新型高铁救援起重机桥梁通过及承载能力检算评估

惠如海（京沪高速铁路股份有限公司，北京　100038）

一种新型高铁救援起重机桥梁通过及承载能力检算评估

惠如海
（京沪高速铁路股份有限公司，北京100038）

以京沪高铁双线简支箱梁与合蚌客专单线简支箱梁为例，对一种新型适用于高铁桥梁上紧急救援的起重机进行了桥上通行及作业时桥梁承载能力的检算。检算结果表明：该型救援起重机在DF4或HXD3牵引编组回送时均可全速通过ZK活载设计的各种跨度桥梁；吊重自力走行时能够满足桥梁竖向检算要求；桥上打支腿作业时，各检算工况作用下常用跨度简支梁竖向承载力、箱梁桥面板横向受力均满足规范要求。

高速铁路；救援起重机；通行（作业）；桥梁承载能力；检算评估

随着武广、京沪、京津、哈大等线路的陆续开通，我国高速铁路的运营里程已达到约1万km。高速铁路在设计中多采用高架桥，使桥线比平均高达70%以上。按照高铁桥梁的设计标准，现有国内大型救援起重机［1］无法全速通行目前的高铁桥梁，从轴重、吊重自力走行最大轮载、最大支腿压力等方面也无法适应高速铁路的救援作业要求。因此根据高速铁路救援起重机的特点，研发一种新型救援起重机，对于保证高铁安全运输具有重要的意义。

1　新型救援起重机简介

高铁救援以起复高铁动车车体为主要救援目标，即起重机顺轨可以将高铁车辆车体起复，起重量为45 t，幅度25 m，起重力矩为11 250 kN·m。起重机整备状态自重1 480 kN，回送状态轴重 18.5 t，轴距 3× 1.4 m，心盘距9 m，车长15 m；吊臂平车轴重12.5 t和17.5 t，心盘距10.9 m，车长16.4 m，起重机吊臂支承放置在吊臂平车上。起重机外貌及连挂方式见图1。

图1　新型高铁救援起重机外貌及连接方式

高铁救援起重机在桥（单线桥和双线桥）上工作主要有2种方式：方式1，不打支腿吊重走行方式，即救援起重机吊着重物在轨道上行驶，速度为10 km/h，作业中救援起重机转台和重物不回转；方式2，打支腿作业方式，即救援起重机将支腿打在地面或桥面上进行吊重作业，作业中救援起重机转台和重物要进行回转。

救援起重机打支腿作业有3种形式：①救援起重机在高铁复线桥梁上，将重物吊到邻线，支腿支撑在双线之间，吊车体（45 t），回转角度15°；②救援起重机在高铁复线桥梁上，支腿支撑在邻线上，将重物吊到桥下，吊重45 t，回转角度15度和30°；③救援起重机在高铁单线桥梁上，将重物吊到桥下，吊重45 t，回转角度26度和90°。救援起重机各支腿和心盘承受的最不利载荷见表1。

2　桥梁活载承载能力及其检算项目

2.1桥梁活载承载能力

桥梁结构在活载作用下的承载能力用活载系数Q表示，各种跨度桥梁在救援起重机编组列车作用下的活载系数应满足Q=k0/kq≤1，其中 k0为救援起重机编组列车的换算均布活载（kN/m），kq为标准活载的换算均布活载（kN/m），均计入相应的动力系数。计算k0和kq时设计动力系数取值相同，若活载系数Q≤1，表明救援起重机编组列车能按照正常速度通行；若活载系数Q＞1，救援起重机编组列车则不能按照正常速度通行。

表1　救援起重机各支腿和心盘承受的最不利荷载　kN

2.2检算项目

依据相关规范，支座、桥墩、基础承载能力检算的规定如下：①对于支座，参照文献［2］中检验荷载为支座竖向设计承载力的1.5倍。考虑救援起重机为临时荷载，容许应力乘以1.5的提高系数。②对于桥墩，参照文献［3］中长大货物列车的有关规定第12.0.2条，对墩台材料的检定容许应力乘以1.4的提高系数。③对于基础，参照文献［3］中长大货物列车的有关规定第12.0.3条，对墩台基础的检定容许承载力乘以1.6的提高系数。

由此可见，支座、桥墩、基础的设计安全储备较大，其检定容许应力都可以乘以较大的提高系数，所以本文仅对救援列车回送、自力走行以及打支腿作业工况下的桥梁上部结构承载性能进行检算。

3　检算跨度及梁型选取

我国已开通运营的高速铁路桥梁设计时速包括250 km/h和350 km/h 2种，其中250 km/h高速铁路又包括兼顾货运的高速铁路（设计活载为ZK活载和中-活载，采用“时速250公里客运专线铁路通用图”）和客运专线铁路（设计活载为 ZK活载，采用“时速250公里客运专线（城际铁路）通用图”）；350 km/h高速铁路的设计活载为ZK活载，采用“时速350公里客运专线铁路通用图”。

从高速铁路桥梁类型来看，预应力混凝土双线箱梁占大多数，且大量采用等跨布置；在跨越山谷、河流、铁路、道路等特殊区段时，采用大跨度连续箱梁或其他特殊桥梁结构。以京沪高速铁路为例，31.5 m预应力混凝土双线简支箱梁占桥梁总数的88.4%，23.5 m预应力混凝土双线简支箱梁占桥梁总数的5.1%。

高速铁路正线上预应力混凝土整孔简支箱梁以双线为主，在部分区段采用了少量单线箱梁。例如合蚌客专在张港上行线/下行线特大桥、官沟上行线/下行线特大桥中使用了预应力混凝土单线箱梁，共计472孔，其中包括跨度24 m简支箱梁28孔，跨度32 m简支箱梁444孔。

在综合考虑了桥上线路数目、跨度、截面形式、桥面宽度等因素后，本文以京沪高铁24 m和32 m双线箱梁、合蚌客专24 m和32 m单线箱梁为例进行相关检算。

4　机车牵引回送检算

救援起重机的回送按照DF4（6轴，轴重23 t）与HXD3（6轴，轴重25 t）2种机车回送考虑（编组回送方案见图2），分别计算了机车牵引下的活载系数（见图3）。检算结果表明，回送方案DF4或HXD3牵引编组，可以不限速通行ZK活载设计的各种跨度桥梁。

图2　编组回送方案

5　吊重自力走行检算

5.1检算思路及方法

1）检算第1步：假定在计算k0和kq时的设计动力系数取值相同，若活载系数Q≤1，表明救援起重机编组列车能按照正常速度通行；若活载系数Q＞1，救援起重机编组列车则不能按照正常速度通行。

2）检算第2步：若Q＞1，则要考虑采取相应的对策，减小救援起重机编组列车的运行速度，通过降低动力系数来减小活载产生的动效应。计算时kq取设计动力系数，计算时k0取降低速度后的动力系数，动力系数的折减参照文献［3］中有关规定执行。

图3　机车牵引编组回送检算

3）检算第3步：竖向检算。文献［5］中规定对于单线或双线的桥涵结构，各线均应计入ZK活载作用。对于双线桥梁，设计中考虑两线ZK活载，救援起重机进行救援时，桥上线路一线封闭另一线救援，救援起重机荷载作用下桥梁的竖向承载能力一般能够满足设计要求；而对于单线桥，设计中只考虑一线ZK活载，救援起重机自力走行或桥上打支腿作业时对桥梁的作用效应若超过设计活载效应，超过量应小于满足《桥梁检定规范》中梁体抗裂安全系数前提下活载允许的提高量。

考虑救援起重机在桥上不同位置打支腿的各种工况，将支腿荷载作为纵向移动荷载列进行加载。检算桥梁竖向受力时，按主力组合与原设计荷载效应进行比较，由于结构自重与二期恒载保持不变，即只需比较救援起重机活载与提高后设计活载作用下的内力值。根据活载内力比较结果，救援起重机荷载对结构的作用效应若不超过提高后的活载效应，则不需要对梁体进行相关检算；若超过则需对梁体进行全面检算。

按文献［5］中表6.1.5，构件在主力+附加力作用时抗裂安全系数≥1.2；按文献［3］第6.3.2条，不容许出现拉应力的构件检算使用阶段抗裂安全性，在主力+附加力作用时安全系数≥1.1，即在做桥梁检算时构件的抗裂安全系数Kf由1.2降为1.1，而混凝土正应力 σ可提高至1.2/1.1≈1.091倍，即荷载弯矩 M可以提高9.1%。

在高铁（客专）单线简支箱梁中恒载所占比例较高，一般恒活比 ＞2∶1。救援起重机在自力走行作业时，原桥的自重与二期恒载不变，与原设计相比增加的荷载仅为活载项，按最小恒活比2∶1考虑，则有 M= M自重+M二期+M活载=3M活载，当荷载弯矩提高9.1%，活载弯矩则可提高27.3%，即救援起重机荷载与 ZK活载引起的荷载效应＜1.273时，梁体的抗裂安全系数至少为1.1，满足规范规定。

5.2极限荷载检算

高铁救援起重机在桥梁上不打支腿吊重走行方式即自力走行作业，是救援起重机吊着重物在轨道上行驶，速度为10 km/h，作业中救援起重机转台和重物不回转，作业时在救援起重机两端各增加一个辅助支承转向架。此时救援起重机作业见图4。

图4　救援起重机自力走行作业（单位：mm）

救援起重机在单线桥梁上自力行走时在吊重情况下车轴载荷由12轴承担，在双线桥梁上自力走行时由前10轴承担，2种工况下最大工作极限荷载轴重见表2，检算结果见图5。

表2　自力走行吊重工况极限荷载轴重　kN

由图5可知，救援起重机在单线桥梁上限速10 km/h后自力行走时最大活载系数Q为1.261，小于1.273的限值要求，满足桥梁竖向检算的要求；当救援起重机进行救援时，考虑一线线路封闭，限速10 km/h后最大活载系数Q为1.598，小于2倍ZK设计活载，故救援起重机在双线桥梁上自力行走时也满足桥梁竖向检算的要求。

图5　吊重自力走行检算

6　桥上作业工况检算

高速铁路中各线根据自身特点选取的箱梁截面尺寸略有不同，但设计时都经过检算，在竖向及横向均满足铁路规范的要求。本文以京沪高铁24，32 m双线箱梁（图号：京沪施（2008）2322A）及合蚌客专24，32 m单线箱梁（图号：合蚌客专施（桥）参）为例进行相关检算，箱梁截面见图6。

图6　京沪高铁32 m双线箱梁、合蚌客专单线箱梁截面（单位：cm）

救援起重机在高铁箱梁桥上打支腿作业时，控制梁体承载能力检算的主要内容：①救援起重机在单线桥上不同位置吊重作业时梁体的竖向承载力检算；②救援起重机在双线桥上吊重作业时桥面板的横向受力检算。

6.1竖向承载力检算

为模拟救援起重机在桥上随机位置进行吊重作业的情况，将救援起重机在单线桥上吊重时的心盘及支腿荷载简化为集中荷载（见图7），沿全桥不同位置进行加载，并把加载得到的最大内力值与设计ZK活载（见图8）的内力值进行比较。

图7　救援起重机在单线桥上吊重作业时加载图式

图8　设计ZK活载加载图式

救援起重机在单线桥上吊重至桥下作业时产生的最大跨中弯矩与设计ZK活载产生的最大跨中弯矩见表3。

通过分析可知，救援起重机进行以上作业时与设计ZK活载产生的最大跨中弯矩之比均小于按文献［3］推定的跨中弯矩最大27.3%的增量，满足抗裂安全系数1.1要求。

表3　单线桥上救援起重机与ZK活载产生的最大跨中弯矩

6.2桥面板横向受力检算

救援起重机在双线桥上吊重作业时桥面板横向受力按实体模型计算，桥梁横向应力云图如图9所示。

救援起重机在双线桥上吊重作业时箱梁桥面板跨中截面受力最不利，有限元实体模型按弹性理论计算的桥面板上、下缘横桥向应力见表4。高铁24，32 m箱梁未设置横向预应力，桥面板按普通钢筋混凝土构件设计，因此需按钢筋混凝土构件设计理论对混凝土压应力与钢筋拉应力进行检算，检算结果参见表4。表中，拉应力为正，压应力为负；C50混凝土中心受压时容许压应力为13.4 MPa，弯曲受压时为16.8 MPa；HRB335钢筋主力作用时容许拉应力为180 MPa，主力+附加力作用时为230 MPa。

计算结果表明，箱梁桥面板跨中截面按钢筋混凝土构件计算的混凝土压应力、钢筋拉应力满足文献［5］要求。

图9　双线桥上作业梁体横向应力（单位：MPa）

表4　箱梁桥面板按实体模型计算与按钢筋混凝土构件检算应力　MPa

7　结论

本文对一种新型适用于高铁桥梁上紧急救援的起重机进行了桥上通行及作业时桥梁承载能力的检算，得到以下主要结论：

1）救援起重机在DF4或HXD3牵引编组回送时，均可全速通过ZK活载设计的各种跨度桥梁。

2）救援起重机吊重自力走行时能够满足单线和双线桥梁的竖向检算要求。

3）救援起重机在桥梁上打支腿作业时，各检算工况作用下常用跨度预应力混凝土简支梁竖向承载力、桥面板横向受力检算结果均满足规范要求。

［1］陶晓燕，刘吉元.高铁救援起重机桥梁通过及承载技术咨询报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2014.

［2］中华人民共和国铁道部.TB/T 2331—2004铁路桥梁盆式橡胶支座［S］.北京：中国铁道出版社，2004.

［3］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号铁路桥梁检定规范［S］.北京：中国铁道出版社，2004.

［4］中华人民共和国铁道部.铁道部令第34号铁路主要技术政策［Z］.北京：中国铁道出版社，2013.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

（责任审编孟庆伶）

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，高级工程师。