崔鑫，王丽，赵欣欣

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

64m栓焊钢桁梁重载适应性分析及强化对策

崔鑫，王丽，赵欣欣

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

根据神华铁路既有路网扩能改造计划，将在朔黄铁路规模化开行2万t重载列车，达到年运量4 亿t及以上的生产目标。发展重载运输须研究既有桥梁的重载适应性问题。本文通过对重载列车作用下既有64 m栓焊钢桁梁在承载能力适应性和疲劳累积损伤的分析、计算，提出在轴重30 t列车作用下既有64 m钢桁梁的薄弱环节，并针对薄弱环节进行了强化改造措施研究，提出了强化对策。

重载 钢桥疲劳 加固措施

由于世界各国铁路基础设施、运营条件、技术装备水平不同，发展重载运输的着眼点并不一样，从国际重载铁路的发展趋势看，提高轴重是增加列车运量的主要措施之一。我国既有铁路桥涵的设计标准是适应轴重25 t及以下的运营车型，而此次朔黄重载铁路计划开行轴重30 t及以上的重载列车。重载运输不同于列车提速，随着列车轴重和行车密度的增加，对既有钢桥的直接影响主要体现在两个方面:承载能力和疲劳寿命。由于运营活载的进一步增大，使得既有活载储备降低，同时车辆轴重和运营频次的提高，增加了桥梁的疲劳累积损伤，尤其对于小跨度或影响线较短的梁跨或构件，其在重载运输条件下的疲劳问题更为突出。因此为保证大轴重运输条件下的运营安全，本文依托国家科技支撑课题“轴重30 t以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制之任务七——重载铁路线路基础设施强化改造技术研究”，对朔黄铁路既有64 m栓焊钢桁梁进行了重载适应性分析及强化对策研究，提出重载条件下钢梁的薄弱环节及强化对策。

1 桥梁概况

朔黄线上共计两座钢桁梁桥，分别为64 m单线钢桁梁和64 m双线钢桁梁，见图1。均为按中—活载设计的栓焊钢桁梁，主桁、桥面系、横联、上下平纵联等用钢均采为16Mnq，节间长8 m，桁高11 m，主桁中心距分别为5.75 m(单线)和9.732 m(双线)。线路开通以来，线上运营列车主要以C64K，C70，C80车辆统一编组列车为主。

图1 跨度64 m栓焊钢桁梁桥概貌

2 既有桥重载适应性分析

2.1 承载能力适应性分析

根据桥梁构件强度、刚度和稳定设计计算公式，归纳推导出重载列车荷载通过桥梁时荷载的动效应与桥梁按照当初设计活载标准计算的动效应的对比公式，在相同设计安全度条件下，若满足式(1)，则认为该跨度桥梁在强度、刚度和稳定检算方面能够满足安全通行重载列车的要求。

式中:k重，k设分别为重载列车、设计活载标准的换算均布荷载;1+μ重，1+μ设分别为重载列车运营动力系数，设计活载标准的设计动力系数。

64 m栓焊钢桁梁按通用设计图制造［1－2］，材质16Mnq，设计荷载中—活载，计算荷载图式见图2(a)［3］。主桁上、下弦杆截面采用焊接H形，除双线桥腹杆E0A1和A3E2采用箱形杆件外，其余均采为H形，见图3。

承载能力适应性分析中分别采用了平面计算和空间计算两种方式，计算在欲开行的轴重30 t车辆组成的列车荷载作用下桥梁的强度、刚度、稳定性、连接构造的承载能力适应性。两种方式的计算结果基本一致，平面计算值略大于空间模型计算值。考虑到桥梁设计时为平面计算，本文中仅提取平面计算数值。计算荷载图式见图2(b)，在轴重30 t车辆荷载作用下，主桁构件强度、稳定性在主力作用下的计算分析结果见表1和表2［4］。

图2 计算荷载图式(距离单位:m)

图3 主桁轮廓

表1 主力工况下构件强度检算结果MPa

表2 主力+次应力工况下构件稳定检算结果MPa

强度及稳定性的检算结果显示，轴重30 t车辆作用下的构件应力小于设计荷载作用下的构件应力，即说明强度和稳定性不是重载适应性的控制因素，既有桥梁在承载能力方面能够满足规范要求，但荷载储备有所降低。

2.2 疲劳累积损伤的影响分析

朔黄铁路自开通运营以来主要开行轴重21 t，23 t以及25 t的C64K，C70，C80统一编组列车。若发展重载运输后，运营列车的轴重将进一步增大，运营频次将有所提高，根据疲劳累积损伤的定义，累积损伤的大小与疲劳应力幅和相应的应力循环次数密切相关。因此发展重载运输必然会对既有钢桥的疲劳累积损伤产生直接影响，从而影响到钢桥的疲劳寿命。对于跨度64 m栓焊钢桁梁，结构中易发生疲劳损伤的部位主要集中在桥面系纵、横梁等影响线较短的构件及其连接处，以及主桁受拉杆件(A1E2，E2E4，吊杆)和连接处。这些受拉构件中有全桥受力杆件和局部受力杆件，全桥受力杆件的影响线长度为64 m，局部受力杆件的影响线长度为16 m和8 m。

为具体研究重载列车对既有钢桥疲劳累积损伤的影响程度，采用计算分析软件STAAD/CHINA［5］，将列车荷载转换为由集中力组成的移动荷载列。列车荷载由桥梁一端按一定步长逐步通过桥梁，直至车尾离开桥梁另一端。提取构件内力，形成列车荷载通过桥梁一次在构件中产生的荷载效应历程曲线，以分析构件在实际列车作用下的受载特点。影响线长度8 m的纵梁在列车过桥一次产生的荷载效应历程曲线见图4。

图4 影响线长度8 m的纵梁在列车过桥一次产生的荷载效应历程曲线

荷载效应历程曲线明显地呈现了不同长度影响线构件在列车作用下的受载特点，对于全桥受力构件来说，列车过桥一次即产生一个大的应力循环，而对于局部受力构件来说，列车过桥一次会产生多个应力循环。因此，从疲劳累积损伤角度，局部受力构件的疲劳问题将更为严峻，应重点关注这些构件的疲劳问题。

通过对构造细节进行疲劳应力截止限的检验来确定结构或构件能否满足疲劳估算。按构造细节类型以5×106次对应的等幅应力为门槛值，疲劳估算中实际重载列车作用下的最大应力幅小于此门槛值时即认为该构件或连接能满足疲劳估算，若最大应力幅值大于此门槛值则认为该构件或连接应采取适当的措施进行改造，以降低其应力幅值，提高桥梁疲劳寿命。检算按下式［6］进行

式中:Δσsmax为由重载列车算得的最大应力幅;α为考虑线路偏心、超载及装载偏心等因素引起的应力增大系数，一般取1.05;β为最大量测修正系数，取1.1; Δσce为等幅应力截止限，按《铁路桥梁检定规范》中的规定取值，对64 m栓焊钢桁梁，Δσce=74 MPa。

经计算，在轴重30 t重载列车作用下，跨度64 m单线钢桁梁及双线钢桁梁的疲劳估算结果见表3。疲劳估算结果显示，主桁的受拉斜腹杆、吊杆以及桥面系的纵、横梁疲劳应力幅较大，已超出截止限，建议进行适当加固。

表3 疲劳估算结果MPa

2.3 小结

通过对跨度64 m钢桁梁的重载适应性分析发现，在轴重30 t重载列车作用下，钢桥的强度和稳定基本能够满足规范要求，部分受拉构件及以拉为主的拉压构件疲劳问题较为突出。经疲劳估算，斜杆A1E2、局部受力的吊杆及桥面系纵、横梁的疲劳应力幅超出截止限。因此，为确保大轴重运输条件下桥梁的安全运营，保证桥梁使用寿命，建议对上述构件及连接进行适当加强。

3 强化对策研究

虽然国外重载铁路的荷载储备较高，但由于重载铁路的运输特点，使得桥梁在使用期内承受车辆竖向活载和加载循环次数的明显增加，致使桥梁的疲劳和劣化问题不断出现。因此针对这些疲劳裂纹及断裂问题所采取的措施主要有降低结构恒载、改善残余应力、降低冲击力、更换杆件、高强度螺栓拼接等。

随着加固材料和施工方法的改进，新的加固方法也层出不穷，目前常见的钢结构加固方法有增大截面面积加固法、粘贴加固法(钢板、纤维布、碳纤维等)、外部预应力法等等［7］。而应用于钢桥中的加固方法多为增加构件截面积和连接强度，对于杆件的加固，主要为在翼板外侧用高强螺栓加贴钢板［8］或粘贴碳纤维复合材料。本次强化改造的主要目的是有效降低重载列车作用下的疲劳应力幅以保证桥梁使用寿命，同时考虑到钢结构对耐久性的要求及实际加固效果，拟采用栓接钢板或角钢来增大截面积的加固方法对构件进行强化。

4 结论

本文针对朔黄线预计开行的轴重30 t重载车辆，对其线上既有跨度64 m单线钢桁梁和双线钢桁梁进行重载适应性分析。从计算分析结果看，在轴重30 t重载列车作用下，既有跨度64 m钢桁梁的强度、刚度及稳定性方面的各项指标均能满足规范要求。但其疲劳累积损伤分析结果显示，部分受拉力较大的构件如主桁斜杆A1E2、吊杆和桥面系纵、横梁的疲劳应力幅较大。考虑到钢结构对耐久性的要求及实际加固效果，建议对疲劳问题突出的构件采用增加截面积的方法降低其活载作用下的应力幅，采用现场打孔、高强度螺栓拼接钢板或角钢来加固主桁杆件和桥面系构件，经验证，加固效果达到预期值。

［1］中华人民共和国铁道部.通用图号专桥0146单线铁路栓焊下承桁梁［Z］.北京:铁道部专业设计院，1987.

［2］中华人民共和国铁道部.通用图号专桥0159双线铁路栓焊下承桁梁［Z］.北京:铁道部专业设计院，1994.

［3］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，2010.

［4］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2012.

［5］阿依艾工程软件有限公司.STAAD/CHINA技术参考手册［M］.大连:阿依艾工程软件有限公司，2004.

［6］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.

［7］中华人民共和国交通运输部.JTG/T J22—2008公路桥梁加固设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［8］张文敏，彭岚平.既有线提速钢桁梁加固与测试［J］.铁道标准设计，2004(3):23－24.

Analysis on suitability of 64 m span bolted-and-welded steel truss girder for heavy haul transport and its strengthening measures

CUI Xin，WANG Li，ZHAO Xinxin
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

According to network expansion and reconstruction needs of Shenhua Railway，20 000 t Heavy Haul T rain will run on Shuohuang railway in large－scale，targeting annual volume more than 400 million tons.However，the development of heavy haul transportation on the existing line is related to the adaptability of the existing bridges.In the paper，adaptability of a 64 m bloted and welded steel truss girder bridge to heavy axle loads was analyzed as well as its accumulative fatigue damage.Under 30 t axle loads，the weakness of the steel truss girder was proposed.Also，the corresponding strengthening method was recommended.

Heavy axle load;Steel bridge fatigue;Strengthening measures

U448.21+1;U445.7+2

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.09

(责任审编 赵其文)

1003－1995(2015)10－0047－04

2015－04－28;

2015－07－08

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00)

崔鑫(1979—)，女，副研究员，硕士。