架桥机通过铁路连续钢桁梁安全性分析

李晔明

(天津港基础设施养护运营工程管理有限公司，天津 300450)

连续钢桁梁桥是铁路桥梁的一种主要形式，对该类型桥梁的研究主要集中于钢桁梁桥梁的设计、施工、荷载试验、列车荷载下的受力分析[1-4]等方面，对特种荷载作用下该桥型的力学性能研究较少。

某些工况受施工环境影响，无法实现桥下台车换架时，一般采用线上运梁平车运梁，架桥机换架方案。该施工方式需要在部分既有桥梁通过架桥机和运梁平车，这两种工程机械荷载一般超过正常运营列车荷载，有必要对这类特种荷载过桥时桥梁结构的力学性能进行评估。

1 工程概况

某单线铁路桥梁全长2 895.83 m，由5孔1联288 m连续钢桁梁桥和79孔32 m普通高度预应力混凝土简支梁组成。

连续钢桁梁孔跨布置为48 m+3×64 m+48 m，主桁结构为带竖杆的华伦式下承桁架，桁高11 m，桁宽5.75 m，节间8 m，大节点间距16 m，主体结构钢材选用16Mnq钢，全桥上部结构总重约890 t(含全部钢结构、连接螺栓及人行通道混凝土道板等)。桥梁设计荷载为“中-活载”，目前主要运营机车车辆最大轴重25 t(DF8B)，货车车辆C70最大轴重23 t。

跨高速公路的第29、30 孔梁下净空较小，多次受到车辆撞击受损严重，计划进行换架施工以确保桥梁运营安全。受交通和施工环境限制，无法实现桥下台车换架方案，拟采用线上运梁平车运梁，架桥机换架方案，现场施工如图1所示。架桥机换梁前及运梁平车运梁时需通过既有连续钢桁梁桥，由于桥机及运梁车运梁时轴重较大，因此，需对既有钢桁梁桥进行通行安全性评估。采用自重256 t的DJK160 型架桥机，转向架采用前五后四布局，共计9 轴，桥机悬臂行走状态下前轴重32 t。架桥机和运梁平车轴距相同，架桥机走行时轴重大于运梁车负重时轴重，所以只分析架桥机走行时连续钢桁梁的安全性即可。

图1 架桥机线上换架T梁施工

2 桥梁整体受力荷载效应对比

架桥机走行时最大轴重32 t，大于中-活载的最大轴重，但架桥机相比列车轴数少总重量小，桥跨承受的总体荷载小。根据桥梁设计施工图纸的结构杆件尺寸和支座形式，利用Midas的梁单元建立全桥有限元模型，分析荷载对于桥梁的整体效应，钢桁梁有限元模型如图2所示。施加的荷载为中-活载、运营荷载C70及架桥机荷载，荷载图式如图3～图5所示。

图2 钢桁梁桥有限元模型

图3 中-活载图式(单位：m)

图4 运营列车C70活载图式(单位：m)

图5 架桥机活载图式(单位：mm)

中-活载和架桥机走行时桥梁的弯矩和剪力计算统计结果见表1，架桥机走行自重作用下与中-活载作用下桥梁总体静力荷载效应比最大值0.69，故架桥机走行时，桥梁结构整体安全储备较大。

表1 两种荷载作用下桥梁结构整体效应对比

3 桥梁局部杆件荷载效应

架桥机走行时桥梁整体荷载效应远小于中-活载，但其最大轴重32 t大于中-活载及运营列车轴重荷载，需考虑架桥机活载对桥梁局部构件的影响。

3.1 主桁杆件

分析结果表明，钢桁梁桥杆件主要承受轴力作用，各杆件轴力统计见表2。主桁杆件除竖杆荷载效应是设计荷载的1.34倍外，其它各杆件荷载效应均小于设计荷载，且小于运营列车C70荷载效应。导致竖杆荷载效应较大的原因是架桥机5个集中荷载作用范围仅5 068 mm，荷载作用非常集中。

3.2 桥面系杆件

桥面系杆件主要包括纵横梁，架桥机荷载集度大，对桥面系局部纵横梁影响明显。架桥机荷载产生的纵梁最大弯矩值为534.7 kN·m，中-活载产生的纵梁最大弯矩值409.4 kN·m，运营列车C70产生的最大弯矩值为381.4 kN·m，架桥机荷载与中-活载效应比是1.31。纵梁在三种荷载作用下的边跨和中跨弯矩包络如图6所示。

图6 不同荷载作用下纵梁弯矩包络图(单位：kN·m)

表2两种荷载作用下主桁杆件内力值对比

横梁主要承受纵梁传递的荷载，并通过竖杆和节点板传给主桁架。三种荷载作用下横梁最大弯矩值：架桥机荷载为988.8 kN·m，中-活载作用下为829.9 kN·m，运营列车C70作用下为615.2 kN·m，架桥机荷载与中-活载效应比是1.19。

3.3 局部杆件

架桥机轴重大且轴距小，走行时连续钢桁梁竖杆产生的轴力是中-活载的1.34倍，桥面系纵梁最大荷载效应是中-活载的1.31倍、横梁最大荷载效应是中-活载的1.19倍。架桥机5重轴中心与该竖杆位置顺桥向重合时，该竖杆轴力最大，最不利工况架桥机位置如图7所示。

图7 竖杆最不利架桥机过孔工况

架桥机走行速度小于5 km/h为准静态荷载，可不考虑动力系数。桥梁结构设计时需考虑动力系数1+μ=1+28/(40+L)，L为桥梁跨度，中跨L=64 m,动力系数为1.269。竖杆及纵梁荷载效应比均大于1.269，不满足规范要求。

4 架桥机减载后荷载效应

4.1 架桥机减载方案

为使架桥机行走过程不对既有钢桁梁造成损伤，需对架桥机进行减载。分析架桥机结构特点，最有效的减载途径是减小轴重。架桥机走行时前端悬臂长度26 m，临时拆除重量5.2 t的零号柱轴重减小至29.3 t，可按30 t计算。架桥机正常走行状态及零号柱位置如图8所示。

图8 架桥机正常走行状态(单位：mm)

4.2 减载后荷载效应分析

架桥机走行时与中-活载比较荷载效应较大杆件包括竖杆、纵梁和横梁，减载后竖杆最大内力为511.5 kN，荷载效应比为1.23；纵梁最大弯矩为470.5 kN·m，荷载效应比为1.15；横梁最大弯矩为909.9 kN·m，荷载效应比为1.10。减载后各杆件荷载效应比均有所降低，最大值均小于动力系数1.269，计算结果表明钢桁梁桥的强度、刚度和稳定性均满足设计规范要求。

最不利荷载作用下，桥面系纵梁的最大组合应力为190.1 MPa，横梁的最大组合应力为152.1 MPa，竖杆在架桥机过孔时产生的最大组合应为76.9 MPa，钢桁梁桥主体结构采用16Mnq钢，最不利荷载工况的最大应力均未超过材料容许应力[σ]=210 MPa。桥面系纵横梁最大组合应力分布如图9、图10所示。

图9 纵梁最大组合应力分布(单位：MPa) 图10 横梁最大组合应力分布(单位：MPa)

5 结论

(1)架桥机轴重较大，自重荷载与中-活载作用下局部杆件的静力荷载效应比较大，其中竖杆最大值为1.34、纵梁最大值为1.31，均大于桥梁设计规范的动力系数，需要对架桥机自重进行减载。

(2)架桥机拆除自重 5.2 t 的零号柱后，可使其轴重减少至30 t。减载后与中-活载比较，架桥机整体和局部杆件的弯矩、轴力等荷载效应比均小于动力系数1.269，且最不利荷载工况下各杆件的组合应力值均小于材料容许应力值，满足设计规范要求。

(3)分析基于架桥机行驶速度小于5 km/h，架桥机自重荷载为准静态荷载不考虑动力系数，所以施工中需严格控制架桥机走行速度，禁止紧急制动和加速，避免冲击荷载对桥梁造成损伤。