林丽军 ， 张志国 ， 杨高舰
(1.中建交通建设集团有限公司，北京 100071；
2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)
林丽军，张志国，杨高舰.一座32 m铁路钢桁梁桥受损弦杆更换及运营性能分析[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2022,35(1):32-38.
以杆件体系为承载结构的钢桁梁桥在钢桥发展过程中占有重要地位[1]。与混凝土桥相比，在同等条件下钢桁梁桥具有自重轻、施工方便快捷、承载能力大、适合较大跨度等优点，所以成为铁路桥梁的主要结构形式之一[2]。在营运过程中，由于动力荷载作用，以及列车轴重的增加，都会使得桥梁提前出现病害，必要时需要加固。对跨线桥梁还有一类风险因素，即被超限车辆撞击，这种撞击荷载作用后可能会对桥梁的安全造成影响。针对被超限车撞击后弦杆出现局部弯曲变形、影响正常传力的一座既有铁路简支钢桁梁桥进行分析，采用有限元模拟仿真计算和现场测试相结合的方法进行研究，目的是通过掌握该桥弦杆更换过程的受力变化情况，为本桥快速更换控制提供依据[3-5]。
跨辛沙公路1#桥为单线铁路栓焊钢桁梁桥，线路中心里程为K333+475.92，该桥计算跨度31.8 m，桁高9 m，主桁中心距5.75 m。主桁弦杆及腹杆均采用焊接组合H型截面，弦杆杆件宽度、高度分别为400 mm和420 mm。桥面系采用纵横梁体系，横梁通过连接板栓接于主桁节点，纵梁与横梁平接，横梁高度为1 200 mm，纵梁高度为800 mm。钢桁梁主体结构材料采用16Mnq钢。钢桁梁桥结构及杆件编号如图1所示。
图1 钢桁梁桥结构(单位：mm)
钢桁架由于受下穿公路过往车辆撞击，造成下弦杆E2-E2′产生扭曲变形，截面出现附加力，撞击受损情况如图2所示，相关节点及螺栓排布如图3所示。
图2 撞击受损杆件示意图
图3 节点及螺栓布置示意图(单位：mm)
为全面了解桥梁主体结构的工作性能及劣化状况，采用常规手段对其缺陷和损伤的性质、严重程度及发展趋势等技术状况进行综合检查，目的是通过分析评价既有缺陷和损伤状况对桥梁结构工作性能的影响程度，确定桥梁结构的劣化等级，为桥梁劣化评判及维修加固提供依据。跨辛沙公路1#桥劣化状态检查情况如表1所示。
表1 辛沙路1#桥劣化状态记录表
根据表1所示劣化检测结果，依据《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》(TB/T 2820.1～8—1999)有关规定要求，综合评定跨辛沙公路1#桥劣化状况等级为B级，需要对E2-E2′弦杆和与其相连的下平联杆件EE2-E3进行更换，相应位置重新涂装以恢复桥梁到正常工作状态。
根据现场勘查检测结果，在保证桥梁结构安全和更换过程内力转换平稳前提下，尽量缩短施工要点时间，以对营运铁路和下穿公路交通影响最小为原则，制定更换步骤如下：
(1)封闭公路，并在待更换杆件节点处搭设临时支架。
(2)拆除下平联杆件EE2-E3，松解横梁EE3-E3、斜杆EE2′-E3、竖杆A3-E3的连接螺栓。
(3)对称松解受损弦杆E2-E2′两端节点螺栓，再拆除损伤弦杆。
(4)与前述拆卸过程顺序相反，分步安装新换杆件，先安装弦杆，再安装下平联及节点连接螺栓，注意安装顺序和节点螺栓施拧顺序。
(5)新换杆件、节点及螺栓涂装。
4.1 MIDAS/CIVIL分析建模
采用MIDAS/CIVIL进行更换施工过程模拟，施工步骤根据吊装及杆件拼装过程共分为5个工况，具体列于表2，典型阶段模型如图4所示。工况1是拆除杆件后不设置支撑转换的虚拟工况，主要用于受力及变形对比。工况2到工况5依次代表钢桁架梁支架支撑完成、损伤杆件拆除完成、更换杆件安装完成和支架拆除完成卸载，桥梁恢复到承载状态。在此过程中，桥梁部分自重荷载先从主桁转换到支撑、再从
支撑恢复到主桁的过程，为掌握更换过程中受力及变形状态，通过建立模型进行仿真模拟分析。建模时，将每一个工况单独定义成组并通过激活或钝化来完成各施工阶段的模拟。模拟时仅考虑结构自重及施工荷载作用。所有杆件均采用梁单元模拟，纵梁与纵梁上翼缘、横梁端部截面中心与上下翼缘均采用刚性连接。一侧设置固定铰约束，另一侧设置可动铰约束来模拟钢桁架梁结构的边界条件[6]。
表2 仿真模拟工况统计表
图4 32 m钢桁梁桥典型阶段模型
4.2 仿真结果
4.2.1 主桁架内力及位移分析
限于篇幅，仅给出工况1、工况2和工况5阶段主桁架杆件的应力云图，如图5所示。
图5 桁架杆件应力云图(单位：MPa)
为考查受损弦杆失效后对钢桁架桥力学行为的影响，将虚拟工况1(假设受损更换杆件完全拆除)和实际工况5主桁架应力进行对比，结果见表3。工况1可以理解为是弦杆受损状态的极限，该弦杆彻底失效，而实际仅是有效截面减小和杆件刚度一定程度的降低，但是这并不影响对其受力行为变化趋势的定性分析。从计算结果可以看出，弦杆失效后，主桁架产生应力重分布现象，两主桁架受力出现差异，受撞击侧主桁杆件内力出现降低，而另一侧主桁架内力出现上升，该侧杆件内力均大于被撞击侧对应杆件内力，其中应力最大值为45.1 MPa，出现在未撞击侧下弦杆EE2-EE3，而撞击侧主桁杆件最大应力仅为21.8 MPa，出现在斜腹杆A1-E2。对比工况1与工况5杆件应力值变化可以发现，被直接撞击侧主桁架所有杆件应力值均增大，另一侧主桁架应力值均减小；
从工况5可以看出，杆件更换完成后主桁架内力恢复到完好状态，表现出了较好的整体受力性能。
表3 主桁杆件应力比较 MPa
虚拟工况1和实际工况5主桁架位移云图如图6所示。由图6可以看出，桥梁主桁结构竖向位移的最大位置位于跨中截面，其中竖向位移最大值结果：工况1为8.17 mm，挠跨比为1/3 892；
工况5为5.23 mm，挠跨比为1/6 080，均小于1/1 250，符合规范要求。通过计算结果，还可以得出该弦杆杆件失效后结构刚度也出现明显降低，实测在重载列车荷载作用下，受损弦杆桁架桥已经逐渐表现刚度不足，长此以往势必会增加桥梁疲劳损伤，甚至危及安全，所以更换受损杆件十分必要。
图6 杆件更换前后位移等值云图(单位：mm)
4.2.2 主桁杆件内力变化分析
对虚拟工况1及实际施工阶段工况2～工况5分析建模，并提取部分关联杆件的内力进行比较分析，杆件内力变化统计见表4，结果如图7所示。从中可以看出：
表4 主桁杆件内力变化统计表 MPa
图7 主桁杆件内力变化图
在更换过程中，提取的典型杆件受力基本都经历了一个应力先降低再增加的过程，表明随更换施工，支架完成以及拆除杆件过程中，桁架自重荷载一部分被转移到支架承担，而主桁架杆件内力降低；
当更换完成以及拆除支架后，桥梁恢复承载状态，各杆件内力又增加至成桥状态。其中受压上弦杆A2-A2′在工况3时内力最小，与工况5相比变化幅度达63.3%；
受压斜杆E0-A1、A1-E2内力变化相对平稳，在更换过程中变化幅度分别为34.2%、36.0%；
受拉下弦杆E0-E2和EE2-EE2′内力变化幅度分别为33.1%、49.3%；
与前述变化不同，受压竖杆A3-E3在工况3最大，更换过程中内力变化幅度为34.9%。从以上变化可以看出，更换过程中杆件内力基本成比例变化，仅对直接或间接相连杆件内力影响较大。从模拟结果可以看出，更换过程杆力变化总体平稳，符合力的传递转换关系，更换方案切实可行。
由主桁内力、位移及桁架杆件内力变化模拟计算分析可知，杆件更换后桁架结构整体性良好，竖向变形减小，杆件内力分布合理，已恢复到设计理想状态。
图8 工况3支架杆件应力云图
4.2.3 支架杆件内力变化分析
对实际施工阶段工况2～工况4分析建模，并提取支架主要杆件的内力进行分析，最大内力出现在工况3，为此选取工况3进行分析，应力云图如图8所示。提取支架反力，在工况2为-36.78 kN，在工况3为-41.59 kN，在工况4为-36.54 kN。
由计算结果可以得出，更换弦杆施工过程中，支架经历的过程是内力先增加再到平稳，与更换主桁杆件过程正好形成对照，表明部分桥梁自重荷载会随更换过程临时转移至支架结构。根据计算结果：支架最大轴向应力为15.2 MPa，出现在支架立柱杆件；
最大拉应力为41.59 MPa，出现在工字钢分配梁下翼缘，均未超过材料强度设计值，表明支架结构满足承载力要求。
5.1 测点布置及试验工况
图9 静载测点布置图
动载试验应变测点选取在模拟计算应力较大杆件，位移传感器安装在挠度较大位置，参考仿真模拟计算结果，本工程测点主要布置在桁架上、下弦杆及腹杆中部，测点详细布置如图9～图11所示。其中，代表应变测点、代表挠度测点、代表竖向振幅测点、代表横向振幅测点、代表横向加速度测点、代表竖向加速度测点。
图10 动载测点布置图
图11 钢桁梁杆件测点布置图
取表5所列共7 个工况对辛沙公路1#中桥进行现场静动力行为测试，动态测试时，通过改变行车速度来考察桥梁振动特性及变形特征。
表5 桥梁测试工况统计表
5.2 静载试验测试结果
5.2.1 桥梁结构挠度测试
试验列车荷载作用下，跨中挠度实测值及校验系数见表6，将实测主桁挠度按弹性阶段换算至中-活载作用结果，左侧最大挠跨比为 1/1 868；
右侧最大挠跨比为 1/1 875。挠度校验系数分别为0.765和0.762，均满足《铁路桥梁检定规范》[7](下文简称《桥检规》)通常值在 (0.70～0.80)之间的要求，挠跨比也小于《桥检规》通常值 (1/1 250)的要求。
表6 跨中挠度实测值
5.2.2 主桁杆件应力测试
通过列车荷载试验考察主桁杆件应力变化，并按《桥检规》进行评定。在试验列车荷载作用下，实测跨中上弦杆应力增量最大为-73.2 MPa，校验系数为 0.942；
跨中下弦杆应力增量最大为 77.26 MPa，校验系数为0.768；
跨中斜杆应力增量最大为44.23 MPa，校验系数为 0.937；
纵梁应力增量最大为104.61 MPa，校验系数为 0.845；
横梁应力增量最大为135.05 MPa，校验系数为 0.925。校验系数均满足《桥检规》通常值的要求。
5.3 动载试验测试结果
5.3.1 桥跨结构横向振幅
图12 列车通过时跨中横向振幅与速度关系图
试验运营列车作用下，实测跨中横向振动幅度随列车运行速度的提升而增大，在速度为50 km/h时振动幅度最大，振幅值为 1.96 mm(如图12所示)，满足《桥检规》关于横向刚度通常值[Amax]5%(≤2.53 mm) 的限制要求和横向振幅安全限值[Amax]5%(≤4.92 mm)的要求。
5.3.2 桥跨结构横向加速度
试验列车过桥时，实测跨中横向振动加速度最大值为 1.28 m/s2，满足《桥检规》关于横向加速度(≤1.40 m/s2) 的限值要求。
5.3.3 桥跨结构振动频率
通过振动特性试验分析，得出该桥实测横向振动频率为 5.08 Hz，竖向振动频率为 7.23 Hz。满足《桥检规》关于实测横向最低自振频率通常值(≥2.81 Hz)的限值要求和空载货车(或混编货车)通过时车轮抗脱轨安全度横向自振频率 (≥3.13 Hz) 的限值要求。
5.3.4 墩顶横向振幅
试验运营列车作用下，墩顶横向振动幅度均随列车速度提升而增大，且下行列车引起的横向振幅稍大于上行列车。在下行列车速度为55 km/h时，1#墩墩顶横向振动幅度最大，振幅值为 0.26 mm(如图13所示)；
在下行列车速度为60 km/h时，2#墩墩顶横向振动幅度最大，振幅值为 0.22 mm(如图14所示)。均满足《桥检规》中墩顶横向振幅通常值 (≤0.49 mm) 的限值要求。
图13 列车通过时1#墩横向振幅与速度关系图
图14 列车通过时2#墩横向振幅与速度关系图
营运线钢桁架桥梁弦杆出现损伤后，对结构受力行为影响是一个值得研究的问题。通过仿真计算，详细研究了受损弦杆对主桁架内力的影响，表明当一侧下弦杆由于碰撞严重受损后，主桁架会出现内力重分布，即受损侧主桁杆件会卸载，另一侧杆件内力会增加，即使在对称荷载作用下两主桁架受力也不再对称。这一变化会加剧桥梁杆件劣化趋势，应引起养护部门重视。通过对大莱龙铁路辛沙公路1#中桥弦杆更换施工、有限元模型分析及静动载试验研究，主要得到以下结论：
(1)采用有限元软件建立桁架桥空间模型能够很好模拟施工过程中桁架各杆件内力的变化，可以追踪施工过程影响规律，实现对施工过程控制的精细化管理，避免施工出现安全事故，为施工方案可行性提供依据。
(2)从动载试验数据可以看出，列车轴重及行驶速度是影响桥跨结构及桥墩振幅的重要因素。随着速度的提高，桥跨跨中、桥墩墩顶横向振幅均会同步增加，表明动力因素是影响桥梁横向刚度的主要因素。
(3)通过桥梁静动载试验测试表明,该受损弦杆32 m 跨度铁路简支钢桁梁桥，经过更换杆件维修后，其强度、刚度及横向整体稳定性等均能满足设计及使用要求，桥梁结构工作状态恢复良好。
桥梁检测与加固是一项专业性较强的工作，在桥梁生命周期内十分重要，尤其对既有线铁路桥梁，已经营运多年，随着荷载等级和列车速度的增加，以及特殊原因造成的损伤都会增加营运安全风险。通过桥梁检测及模拟分析，对其营运安全性能做出准确评估，可以为设计可行的加固方案提供依据。基于实例分析，详细阐述了钢桁架桥的杆件更换过程模拟分析及静动载试验结果，以期为今后类似结构桥梁的加固改造和维修管理提供借鉴。
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