一种高速铁路抢修钢梁的设计研究

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摘要：为了确保高速铁路桥梁在遭受破坏后能及时得到抢修并快速恢复通车，研究了一种能适应高速铁路桥梁抢修的梁部抢修结构――拼装式高铁抢修钢桁梁，建立了高铁抢修钢桁梁的有限元模型，进行了静力、动力（模态、车桥耦合）分析。结果表明：抢修梁的竖向刚度相对偏小，但在各计算车速下，桥梁响应、车辆响应均较小，满足相关规范要求的限值，可以作为一种抢修高铁桥梁的储备技术。

关键词：高速铁路；抢修钢梁；结构刚度；结构分析

中图分类号：U445.34文献标志码：B

Design and Research of Steel Beam for Rush Repair of Highspeed Railway

SUN Zhixing1，2， ZHANG Yaohui1，2， XU Hongwei3

（1. Institute of National Defense Transportation， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043，

Hebei， China； 2. Hebei Engineering Research Center for Traffic Emergency Response and Guarantee，

Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， Hebei， China； 3. School of Civil Engineering，

Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， Hebei， China）

Abstract： In order to ensure that the highspeed railway bridges can be repaired quickly after being damaged， an assembled steel beam for rush repair of highspeed railway bridges was studied. The finite element model of steel beam was built， and the static and dynamic （mode and vehiclebridge coupling） analysis was carried out. The results show that the vertical stiffness of the beam is relatively small， but the bridge response and vehicle response are small at all calculated vehicle speeds， which meet the requirements of the relevant specifications. The steel beam can be used as a reserve technique for repairing highspeed railway bridges.

Key words： highspeed railway； steel beam for rush repair； structural stiffness； structural analysis

0引言

中国以“四纵四横”高速铁路为骨架的快速铁路网已基本建成，至2015年底，中国高铁运营里程达到1.9万km，超过世界高铁营业里程的一半。根据十三五规划，到2020年高铁营业里程需达到3万km、覆盖80%以上的大城市。在高铁建设中，考虑到路基刚度小、沉降变形控制难度大，为了增加线路的平顺性，减少线路工后沉降，减小或避免不良轮轨动力响应，减少维修工作量，增加行车舒适度以及减少占地等因素，多采用“以桥带路”的施工形式[13]。中国建成和在建的高铁中，桥梁占线路总里程的50%以上，其中京津城际铁路、京沪高铁、广珠城际铁路中的桥梁所占比例更达到80%以上[45]。然而，桥梁结构容易遭受自然灾害影响、人为破坏及战时攻击，易毁难修。目前，国内对高铁桥梁的应急保障抢修技术研究尚处于起步或空白阶段，已经投入运营、数量巨大的高铁桥梁一旦发生损毁，将面临没有抢修器材储备，没有抢修技术支撑的窘境，研究一种能适应高铁桥梁抢修的梁部抢修结构是极为迫切的。因此，本文介绍一种新型拼装式的高铁抢修钢梁，并对其进行模拟分析。

1高铁抢修钢梁的结构及特性

高铁桥梁中跨度为32、24、20 m的简支梁桥约占桥梁总长的90%以上[67]。因此，高铁抢修钢梁的设计主要针对这3种跨度进行。为了适应高铁混凝土箱梁的建筑高度，本抢修钢桁梁采用上承式结构；为方便存储、运输和拼组，采用片状杆系结构；消除销孔间隙，提高结构刚度，主桁连接采用膨胀式销栓。本钢梁主要有11种构件（图1），包括6 m主桁构架、4 m主桁构架、端构架、上平纵联构架、下平纵联构架、横联斜撑杆、端横联副斜撑、桥面系纵梁、桥间横联构架、桥间横联调整构架、桥间上下平纵联斜撑杆（2种尺寸，以适应5 m或46 m双线间距），如图1所示。

抢修钢梁这类拆装式结构最主要的技术问题是连接方式，本文设计的高铁抢修钢梁为上、下平纵联及桥间横联（包括桥间横联调整结构）构架形式，与主桁及相互连接采用不需节点板的法兰式连接；同时，主桁构架（包括6 m主桁构架、4 m主桁构架、端构架）之间采用插入式连接，这种连接方式省去了节点板，减少了连接螺栓数量，连接作业方便。

目前，既有铁路抢修钢梁在铺设曲线线路时都离不开枕木，由于曲半径的变化范围很大，同时梁跨也在变化，这就要求轨道在梁上的位置必须在某一范围内连续变化，当前只能采用通过木枕道钉固定钢轨的办法来解决[89]。对此本抢修钢桁梁采用桥面系纵梁，通过其上长孔调整桥面系纵梁与上平纵联构架形成的横梁间的相对位置，可适于曲线线路的铺设，并且直线、曲线均不用枕木。同时，桥面系纵梁设计为槽形截面，可降低轨底标高，其侧梁可兼作护轮轨，从而减轻了桥面重量。

高铁抢修钢梁的主要技术性能参数及适应性如下所示。

（1）设计基本活载采用高速铁路设计荷载ZK活载，而现有抢修钢梁为式铁路军用梁，基本设计载重为东风4型内燃机车单机随挂7 tf・m-1；八七型铁路应急抢修钢梁，设计活载为前进型机车单机随挂70 kN・m-1。

（2）设计跨度在32 m 及以下时（主要包括24 m和20 m跨度），由6、4 m主桁构架满足跨度变化2 m的模数。

（3）最大行车速度不小于80 km・h-1。目前，中国所储备的用于铁路桥梁梁部抢修的制式器材包括式铁路军用梁、拆装式桁梁和八七型铁路应急抢修钢梁，其横向刚度较弱，行车限制速度都比较低[1012]。如式军用梁的行车限制速度（跨度为24 m及以下时）为40 km・h-1；双层梁跨度小于40 m、单层梁跨度小于30 m时，限制速度为30 km・h-1；双层梁跨度大于40 m、单层梁跨度大于30 m时，限制速度仅为10 km・h-1。拆装式桁梁通车速度只能达到50～60 km・h-1。八七型铁路应急抢修钢梁根据桥式和跨度的不同限制行车速度在15～40 km・h-1。当前中国储备的抢修钢梁的行车限制速度与目前铁路列车行车速度相差较大，提高抢修钢梁的行车速度，是适应高速铁路抢修的一个重要技术指标。

（4）适应桥上单线或双线线路，利用桥间横联调整构架，适用5 m或46 m双线间距。同时可满足直线与曲线的线路条件，曲线半径与高铁正线曲线半径相适应。

（5）部件最大质量为28 t。

（6）由小型起重机配合人工拼组，对拼组设备的要求较低。

（7）运输的适应性强，可以散件运输，也可整孔线上运输。

（8）架设的适应性强，对于不同的线路环境，可采用不同的架设方法提高抢修速度，如墩高较低时可采用汽车吊、门式起重机，墩高较高时可采用整孔悬臂行进法架设[1315]。

2有限元计算模型

高铁抢修钢桁梁为杆系结构，主要构架采用梁单元（beam188），横联斜撑、桥间平纵联斜撑采用杆单元（link8）模拟。在保证结构模型真实反映实际受力状态的情况下，对一些局部进行了适当简化[1618]：对主桁膨胀式销栓连接，放松绕销轴旋转自由度；除横联斜撑、桥间平纵联斜撑连接外，将其余螺栓连接视为刚性连接；局部拼接增加的重量，以提高密度的方法实现。

本文选择最具代表性的32 m双线梁（4.6m线间距）进行计算分析，有限元模型如图2所示。

3结构计算及分析

3.1竖向挠度分析

32 m简支抢修钢梁在ZK静活载作用下，竖向挠度为46 mm，远优于《铁路桥梁抢修（建）技术规程（试行）》（以下简称规程）中规定的竖向静活载所引起的桁梁竖向挠度容许值为L/350～L/400（32 m桁梁即80～91.4 mm）的要求。规程要求限制行车速度在15～45 km・h-1之内，而抢修钢梁的设计时速不低于80 km・h-1。因此，参考《铁路桥涵基本设计通用规范》（JTG D60―2015）中列车静活载所引起的简支钢桁梁竖向挠度不超过L/900（32 m钢桁梁即35.6 mm）的要求来看，32 m抢修钢梁超出了规范要求值的29%，其竖向刚度偏小，在设计上可选用一些加强型桁梁杆件。

3.2模态分析

结构自身动力特性是把握结构在荷载作用下动力响应的基础，也是判定模型正确性的一个重要指标。结构的振动可以理解为各阶固有振型的线性叠加，其中低阶模态起主要作用；考虑到结构阻尼，动力响应中的高阶部分衰减很快，故常常忽略高阶模态的影响。该抢修钢梁的前8阶模态分析固有频率及振型特征如表1所示。梁竖向基频为644 Hz，

满足《高速铁路设计规范》（TB 10621―2014）（下文简称“规范”）中关于简支梁竖向自振频率的限值要求（32 m简支梁竖向基频为303 Hz）。由表1可看出，梁的竖向刚度较横向和扭转要弱。因此，在桥梁拼装架设与使用过程中，需要格外注意钢梁的竖向变形。

3.3车桥耦合分析

本文车桥耦合模拟分析车辆采用CRH3型，16辆编组形式，车速为50～100 km・h-1。考虑到抢修梁轨道铺设调试时间有限，采用轨道条件较差的美国五级轨道谱作楣斓啦黄剿车募だ源。由于节点连接处构件之间、支座等边界连接部位的摩擦耗能作用以及材料应力应变关系非线性而出现的滞回环等因素，钢桁梁在振动中的阻尼不可忽略，本文计算中采用瑞利阻尼，其中阻尼比ξ=002。

抢修钢梁的主要动态最大响应如表2所示。从中可知，随着列车过桥速度的增快，跨中横向振幅、横向加速度呈现增大趋势，而跨中竖向振幅及加速度为波动形式。当行车速度达到100 km・h-1时，跨中横向振幅为1148 mm、横向加速度为1267 m・s-2，竖向振动加速度为2758 m・s-2，满足《铁路桥梁检定规范》对32 m钢桁梁横向振幅行车安全值不超过49 mm及横向振动加速度不超过14 m・s-2的要求，小于“规范”中无砟桥面竖向振动加速度为50 m・s-2的限值，表明抢修钢梁在各计算车速下结构的振动性能满足要求。

（1）脱轨系数、轮对横向力，在车速为80 km・h-1时振动变化，车速大于80 km・h-1后显著增大，车速为100 km・h-1时最大脱轨系数达到0.350（拖车）、最大轮对横向力为39.9 kN，均满足“规范”要求（Q/P≤08，Q=60 kN）。

（2）轮重减载率随车速增大而增大，当车速为100 km・h-1时，其值达到0.204（拖车），满足要求（ΔP/P≤06）。

（3）竖向和横向加速度都随车速增大而增大（振动增大），车速为100 km・h-1时，竖向加速度达到0.757 m・s-2（拖车）；车速为90 km・h-1时横向加速度达到0.817 m・s-2（动车），二者均满足要求（竖向加速度av≤013g，横向加速度ah≤0.10g）。

（4）旅客乘坐舒适度指标采用中国车辆平稳性指标即Sperling指标计算，得出：随着车速增大车辆的舒适度在减小，但其值都小于2.5，符合“优”等级。

4结语

随着高速铁路的大力发展，为了确保高铁桥梁在遭受破坏后能及时得到抢修、快速恢复通车，研究适应高铁桥梁抢修的梁部抢修结构极为迫切。本文介绍了一种拼装式高铁抢修钢桁梁，建立了有限元模型，进行了

静力、动力（模态、车桥耦合）分析。结果表明：抢修梁的竖向刚度相对偏小，在各计算车速下，桥梁响应、车辆响应均较小，满足相关规范要求的限值，可以作为一种高铁抢修桥梁技术储备。然而销接及螺栓连接的间隙、轨道谱的特性等仍需要根据类似结构或者实测数据来修正计算模型，从而能用于指导实际工程。

参考文献：

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