某上承式钢桁梁横向加固研究

摘要：横向抗弯刚度不足是我国早期铁路桥梁随着铁路的几次提速而显露出来的一个普遍的问题，存在较大的安全隐患。本文简要分析横向振动影响因素的同时，理论分析了增大各杆件面积对提高上承式铁路钢桁梁横向振动刚度的影响并进行了量化，对既有桥以提高横向刚度为目的的加固提供参考。

关键词：铁路；钢桁梁；横向振动；

中图分类号：X731文献标识码： A

我国铁路的大面积提速运营产生了巨大的经济和社会效益，同时也给既有铁路桥梁带来了一系列新问题。既有桥梁结构需要在承载能力、耐久性、安全性及舒适性方面重新评估。除此之外，中小跨径桥梁普遍存在着横向刚度不足的问题，部分桥梁甚至超过了《铁路桥梁检定规范》的安全限制。

1 项目概况

某桥桥式组成为12孔跨径31.7m预应力混凝土梁和5孔跨径64m上承式栓焊钢桁梁，均为简支体系桥梁，立面布置如图1所示。

图1某桥桥布置图/cm

单孔跨度64m上承式栓焊简支梁，主桁高8m、主桁中心距5.75m。在检测时发现：

实测第13孔钢桁梁跨中的横向水平振幅，在所检测25趟次货车中有2趟相对《桥检规》桥跨结构的行车安全限值7.71mm超限，有14趟相对《桥检规》桥跨结构跨中横向振幅的通常值5.06mm超限。

在所检测的所有36趟次通过列车中，有两趟次的钢桁梁跨中下弦横向水平振幅略大于跨中上弦的横向振幅外，其中34趟次均是上弦振幅值大于下弦的振幅值，上、下弦横向相对振幅最大达14.22mm，且上、下弦横向振动方向基本相反，说明桁梁上、下弦平面存在较大的横向扭振。

2 横向振动影响因素

列车过桥时,钢桁梁桥相应出现竖向及横向振动,而横向振动振幅过大或振动频率与运营铁路激振频率相近而引起共振等问题,是铁路钢桁梁桥最容易被忽视的问题。通常，引起铁路桥梁横向振动的原因包括以下几个方面：轮轨间蛇形运动、铁轨面的不平顺、列车上桥时的初始振动、桥梁结构的拼装误差、风荷载等。上述各因素具有周期性，极易与铁路钢桁梁形成共振。通常情况下采用提高自振频率以避免其与激振频率接近。

根据简支梁横向自振频率可知，应从提高桥梁的横向抗弯刚度和减小桥梁自重两方面考虑。通常情况下，主要影响因素包括桥梁宽度、上下风架斜杆截面积以及中间横梁的刚度、桥门架刚度、主桁杆件截面面积、铺设枕木及道砟重量、行车速度、桥墩构造等。

对于既有桥梁而言，桥梁的宽度、跨度、桁高等已经确定。若提高其振动频率，可以从杆件的截面积、刚度等方面入手，必须增大钢桁梁的横向抗弯刚度和抗扭刚度。

3 增大截面加固方案

3.1 上下平联加固

上下平联的作用主要是承受剪力、抵抗剪切变形，是两片主桁能够形成整体共同受力。因此，当上下平联截面及刚度较小时，加固上下平联对提高桥梁的横向自振频率时有效的。当上下平联的截面积刚度已经较大时，加固上下平联对提高桥梁横向自振频率的增幅较小。

原结构上下平联及横联均采用“T”型杆件，中横联与下平联杆件尺寸相同。将原有杆件改造成“工”字形截面，改造后杆件截面积基本增加一倍。新增杆件采用高强螺栓与既有杆件连接。改造后截面形式如图2所示。

图2平联增大截面示意

改造后，钢桁梁自振频率计算结果如表1所示。

表1平联改造后自振频率统计表

注：加固前横向自振频率为2.551Hz、竖向自振频率为3.405Hz。

对照看出，上下平联及横联加固对提高钢桁梁横向自振频率均有一定程度的提高，对竖向自振频率影响较小。下平联加固时，相对于上平联及横梁加固横向自振频率增加程度较大。其原因，主要是由于其自身抗弯惯性矩较小的原因。

通过对上下平联及横联同时改造横向自振频率提高了18.5%。增大截面后增强了结构的整体性、提高了结构横向的振动刚度。

3.2 端横联及主桁杆件加固

既有桥梁结构的上弦杆除端部一个节间为“H”型杆件外，中部杆件均为箱型截面，考虑到操作较困难，不对上弦杆件进行处理。

主桁下弦杆件为“H”型杆件，宽度、高度均为460mm，采用在杆件腹板中心处对称增设4根L180×12mm型角钢的形式进行加固。端横联保持上下横梁不动，将斜杆更换为大面积杆件以增强结构抗扭刚度。下弦杆及端横联改造后横断面如图3所示。

下弦杆改造后截面 端横联改造后截面

图3下弦杆及端横联改造后截面示意

表2端横联及下弦杆改造后自振频率统计表

注：加固前横向自振频率为2.551Hz、竖向自振频率为3.405Hz。

各杆件加固对提高钢桁梁横向自振频率均有一定的提高，其中下平联、端横联、下弦杆提高程度相对较上平联大。综合考虑对上下平联、端横联、下弦杆均进行加固，自振频率计算结果如表3所示。

表3综合加固后自振频率统计表

注：加固前横向自振频率为2.551Hz、竖向自振频率为3.405Hz。

增大杆件截面可有效提高钢桁梁的横向自振频率。

4 小结

桥梁横向振动与激振频率和自振振动特性有关。设计时除了尽量避免与激振频率接近外，还可以通过改善结构及杆件尺寸等提高自振频率。横向振幅较大主要的原因是杆件及横向联系刚度较弱或者桥跨的横向抗弯刚度较小，尤其是跨越多个高墩的桥跨。

对于既有桥梁，钢桁梁的跨度、桁高、宽度等参数已经确定。但可以通过对杆件结构尺寸进行加固等方案实现梁体自振频率的提高。将原“T”型截面改造为“工”字形截面，梁体自振特性有了较明显的改善。对上下横联及平联改造时横向自振频率提高了18.5%；仅对端横梁改造时横向自振频率提高了10.0%；对下弦杆增大截面改造时横向自振频率提高了10.1%。同时对上下平联、端横联、下弦杆进行改造后，横向自振频率提高26.0%。增大截面刚度是提高铁路钢桁梁横向刚度、抑制横向振幅的可行方案。

但是对于桥跨结构，自振频率综合反映了梁体和桥墩的整体刚度，桥跨结构横向自振特性同样需要考虑桥墩横向自振特性的影响。桥跨结构还有多个高墩时，计算时应考虑墩身、支座等刚度的影响。

参考文献

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