下承式钢桁梁桥评估和横向刚度加固设计

苏乾坤

(兰州理工大学理学院， 甘肃 兰州 730050)

下承式钢桁梁桥评估和横向刚度加固设计

苏乾坤

(兰州理工大学理学院， 甘肃 兰州 730050)

通过对一座既有钢桁梁桥主要受力杆件的计算分析可知，上弦杆、下弦杆、斜腹杆及竖杆的承载系数K值为1.16～4.08，具有较大的安全储备。但H2、B3节点板抗剪切强度和B3、H4和H6抗撕裂强度不足，采取在原节点板处外贴12 mm厚的Q235q钢板，其抗剪切强度和抗撕裂强度均满足要求。增大下平纵联、端横联及中间横联面积，桥梁自振频率均提高6.6 %～24.3 %，跨中梁体横向振幅明显减小，桥梁屈曲特性指标满足列车安全走行性要求。

下承式； 钢桁梁桥； 评估； 横向刚度； 加固设计

钢桥构件凭借其强度高、跨越能力大、安装速度快、便于运输、最适于工业化制造、构件易于维修和更换等优点[1]，在铁路线路跨越河流、山谷等障碍物时，桥梁工程师越来越多考虑钢桥作为跨越这些障碍物较优的选择。据统计，我国现有铁路钢桥3 300多座，其中将近一半桥梁建造于20世纪五六十年代，而且绝大多数桥梁为中小跨度的桥梁，其中跨度小于32 m的钢桥约占钢桥总数的70 %。鉴于我国目前铁路运营速度不断提高、交通运量迅速增长、行车密度日益增加、运输荷载逐渐加大等现状，现役钢桥中的部分桥梁已不能满足车辆提速后的安全运营需求。为了能够适应当前和今后铁路运输网络的安全、可靠运营要求，对存在安全隐患的既有钢桥进行加固维修迫在眉睫。本文以一座下承式钢桁梁桥为工程背景，初步探讨该类型桥梁承载能力评估及加固方法，为桥梁的维修、加固及管理提供技术依据。

1 既有钢桥加固研究现状

在列车运行速度的不断提高、载货量不断增加的背景下，如何行之有效的判别既有铁路钢桁架梁桥是否满足目前列车走行性的安全要求显得尤其重要。松浦章夫[2]假定静活载产生的桥梁竖向挠度为正弦半波，用半个车辆作计算模型，以不同速度通过连续布置的简支梁桥，研究车辆与桥梁体系的非定常振动及定常振动，求出车体竖向振动加速度和轮重减少率，进而确定桥梁的竖向挠度限制值。李国豪[3]指出对于桁梁桥，控制横向刚度要求的不是侧倾稳定，而是横向振动。郭向荣等[4]提出钢桁梁桥横向刚度限值-容许极限宽跨比B/L计算原理，对连续钢桁梁桥的横向刚度进行分析，并取得良好效果。目前，针对既有钢桥加固的方法主要有：维持原结构受力体系法(如加大构件截面、采用新材料等)、改变结构受力体系法(简支变连续、施加体外预应力、增加主桁片、增加支墩、施加斜拉索等)[5-6]。顾萍等[7]指出下承式钢桁架梁桥易采用增大下平纵联截面尺寸的加固方式用来改善桥梁横向振动。刘守龙[8]认为对于下承式钢桁梁宜采取增强桥门架刚度及上平联杆件垂直面刚度的措施提高桥梁的横向刚度。在加固设计时，需依据桥梁实际状况，因地制宜，选择合理有效的加固方式。

2 工程实例分析

2.1 工程简介

该桥位于甘肃省兰州市境内，是一座为跨越黄河而修建的下承式简支钢桁架单线铁路桥。钢桁梁桥由两片主桁架组成，其间距5.784 m，桁架高8.5 m。主桁端部设置端横联，中间竖杆位置处分别设置中横联。该桥每孔由12节间构成，节间长度均为5.5 m。桥面系采用纵横梁体系，即自端部起，在每个下弦杆节点处设置高度为1.21 m的钢横梁。同时，在钢横梁上设置纵梁，其间距为2 m，梁高1.21 m。该钢桁梁桥结构见图1。桥上线路为单线、平坡、直线，设计荷载标准：中-22级，墩台中-22级，抗震设防烈度8度，墩台为沉井基础。

图1 钢桁梁桥结构

2.2 承载能力评定

由规范[9]可知，通过检定桥梁构件的承载系数K，可判断其承载力是否满足列车走行性要求。对于桁架梁桥，需要对杆件截面的强度及稳定、连接及接头的强度等进行检算，以确定其承载能力是否满足要求。

2.2.1 主桁杆件

主桁杆件的承载系数计算结果如下表1所示。由表1可知，主桁架的上弦杆、下弦杆、斜腹杆及竖杆的承载系数K取值范围为1.16～4.08，均大于1，表明主桁架各杆件的承载能力满足规范要求，且具有较大的安全储备。

表1 主桁杆件的承载系数计算结果

2.2.2 节点板

在钢桁梁桥中，节点板是把交汇在节点处的各杆件联结为一个整体，起到重要的传力作用。通过合理设计，使节点板具有可靠的连接性能，对整个结构整体性、可靠度以及后期的安全运营尤为重要。节点板作为各杆件的连接件，受力十分复杂，检算时主要对节点板抗撕裂强度、节点中心竖向截面法向应力强度和节点板水平抗剪强度进行相应计算分析。

(1)节点板抗撕裂强度检算。根据节点板开孔位置，对可能撕裂的最危险截面进行计算，部分节点板抗撕裂强度计算结果见表2所示。由表2可知，节点板B3与 B3H4杆连接一侧存在一个可能撕裂面的净截面抗撕裂强度小于该杆件净截面强度的1.1倍，故不满足要求。同时，节点板H4和节点板H6也存在抗撕裂强度不足。因此，需对节点板B3、H4、H6节点板进行加固处治。

(2)节点中心竖向截面法向应力强度检算。节点中心处竖向截面法向应力承载力系数为1.88～2.51，均大于1，满足规范要求。

(3)节点板水平抗剪强度检算。节点板H2、B3的水平剪应力检定承载系数分别为0.42、0.81，其余节点板的水平剪应力检定承载系数均大于1。因此，节点板 H2、B3的水平抗剪强度不足，需要加固。

表2 节点板抗撕裂强度计算结果

2.2.3 纵横梁

横梁为横向受弯构件，与桥面板共同承受桥面荷载作用，纵梁为横梁提供弹性支撑，使得列车荷载经由纵梁传至横梁，再通过横梁传至主桁节点。纵横梁承受的局部荷载较大，需要对纵横梁弯曲力矩、剪力、稳定性等进行承载力检算。由于篇幅有限，在此仅列举纵横梁梁端连接检算结果。

(1)横梁(β=1.1)

k(λ=16, a0=0.5)=119.4×1.5=179.1

(2)纵梁(β=1.2)

k(λ=16, α0=0.5)=119.4×1.5=179.1

横梁与主桁连接处承载力满足要求。

2.2.4 主桁平纵联接系长细比

主梁联结系杆件的长细比的计算结果见表3所示。由表3可知，上下平纵联接系的长细比均小于规范[9]纵向联结系、支点外横向联结系、制动联结系容许最大长细比为130、中间横向联结系容许最大长细比为150的要求。

表3 上下平纵联接系长细比

3 动力测试

随着运输量的增加，列车过桥时该桥的横向振动较为明显，在一定程度上危及行车安全。结合该桥的既有现状，对该桥进行动力试验测试，判断该桥梁能否继续满足目前铁路安全行驶要求。利用编组试验车以同一速度级通过桥梁，在钢桁梁下弦杆跨中布置横向振幅测点，实测桥跨跨中的最大横向振幅，并结合振动时程曲线，判定桥梁状态。该钢桁梁横向振动实测典型波形见图2、图3。钢桁梁跨中横向振幅分析结果见表4所示。

图3 钢桁梁振动波形(上行13.9 km/h)

表4 钢桁梁跨中横向振幅计算结果

通过对该桥横向振动典型实测波形分析可知：该桥跨中横向振幅未超出行车安全限值L/5500(即12.000 mm)；试验货车正常通过时，钢桁梁跨中的实测振幅值的上限略微超出最大振幅通常值(即2.995 mm)。因此，需要对该桥的横向刚度进行加固处理，以便满足列车安全运营要求。

4 加固设计

4.1 节点板加固设计

针对H2、B3处节点板抗剪切强度和B3、H4和H6抗撕裂强度不足的现状，采取在原节点板处外贴厚度为12 mm的Q235q钢板，其形状、栓孔等均与原节点板保持一致，便于加固施工、后期维修养护。

加固后H2节点板的剪应力：

加固后B3节点板的剪应力：

加固后抗撕裂强度：

519.36[σ]>1.1Aj[σ]=225.4 [σ]

加固后H4和H6抗撕裂强度：

448.92[σ]>1.1Aj[σ]=222.4 [σ]

通过加固设计，节点板抗剪切强度和抗撕裂强度均满足要求，取得良好的加固效果。

4.2 钢桁梁横向加固设计

通过该桥动力加载实测结果分析可知，桥梁横向振动过大的主要原因是由于梁体的横向自振频率与货物列车运行时的蛇形运动频率接近，导致列车过桥时桥梁出现较大的横向振幅。采用增大梁体横向刚度的加固方法，以提高桥梁横向振动频率，减小列车过桥时桥梁的横向振幅。加固措施：下平纵联角钢2∠100×75×8变换成2∠200×125×18。即2块角钢外侧各加1块变截面角钢与原角钢镶嵌在一起，厚度为10mm和18mm的钢板(合并为2∠200×125×18，Q235q)。下平纵联加固方式如图4(阴影部分为加固前的杆件，外侧构件为加固钢板)。同时，在原桥每隔1个节点设置1个中间横联的基础上增加和桥门架(中间横联)一致的横向连接系，提高桥梁横向整体刚度。即在H2B2、H4B4、H6B6杆件内侧增加一块厚度为10mm宽度为100mm的钢板(Q235q)，横向连接系加固见图5所示。

图4 下平纵联加固(cm)

图5 杆件H2B2、H4B4、H6B6加固(cm)

结合该桥结构受力特点和加固前后的构件截面特性，采用有限元仿真分析软件Midas/Civil建立该钢桁梁桥梁单元全桥模型，见图6所示。结合该线路列车编组运行现状进行加载，对该桥加固前后的稳定性进行屈曲特性分析。该桥加固前后桥梁横向自振频率见表5。通过对加固前后桥梁横向自振频率对比可知：加固后，桥梁的前5阶自振频率均得到提高，提高系数为6.6 %～24.3 %，表明加固后该桥自振频率得到显著提高，跨中横向振幅明显减小，桥梁屈曲特性指标满足列车安全走行性要求。

图6 钢钢桁梁桥有限元模型

表5 加固前后横向自振频率对比

5 结束语

通过详细的计算分析可知，该钢桁梁桥主桁架、纵横梁受力特性良好，主桁平纵联接系长细比满足规范要求。但在H2、B3处节点板抗剪切强度和B3、H4和H6抗撕裂强度存在不足，采取在原节点板处外贴12 mm厚Q235q钢板，其形状、栓孔等均与原节点板保持一致，加固后节点板强度满足规范要求。动力试验表明：该桥跨中横向振幅未超出行车安全限值L/5500(即12.000 mm)；但当试验货车正常通过时，钢桁梁跨中实测振幅值的上限超出最大振幅通常值(2.995 mm)。通过加大下平纵联、端横联和中间横联面积的方式，提高桥梁横向整体刚度，使得桥梁前5阶自振频率均得到提高，提高系数为6.6 %～24.3 %，表明该加固后桥梁自振频率显著提高，跨中横向振幅明显减小，桥梁屈曲特性指标满足列车安全走行性要求，达到预期的加固要求。因此，采用常规检测、动力试验以及仿真分析相结合的方式对下承式钢桁梁桥的承载能力进行综合性评估是一种行之有效的手段，也为后期桥梁养护、维修提供一定的技术参考。

[1] 苏彦江.钢桥构造与设计[M].成都:西南交通大学出版社,2006.

[2] 松浦章夫,周德珪.高速铁路上桥梁动力性能的研究[J].国外桥梁， 1980(2).

[3] 李国豪. 桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[4] 曾庆元,张麒. 铁路钢桁梁桥横向刚度研究[C].1992年全国桥梁结构学术大会论文集, 1992.

[5] 顾建新,夏炜,徐利军,等.既有线钢桁梁桥横向刚度加固技术[J].中国铁道科学,2005(5).

[6] 文勇.既有线钢桁梁桥加固技术研究[J].重庆建筑,2011(11).

[7] 顾萍,顾建新,吴定俊,等.下承式钢板梁桥横向刚度加固研究[J].中国铁道科学,2005(1).

[8] 刘守龙.提高桥梁横向刚度的措施和效果[J].铁道建筑， 2000(11).

[9] 铁运函[2004]120号 铁路桥梁检定规范[S].

苏乾坤(1990～)，男，硕士研究生，研究方向为桥梁评估与健康监测。

U445.7+2

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[定稿日期]2016-08-09