1、1辅助钢梁加固重载铁路桥梁的动力响应分析摘 要：既有重载铁路混凝土简支双 T 桥梁已不能满足现在重载运输的要求，故对既有重载铁路桥梁提出一种加固方法辅助钢梁加固法.采用列车轨道桥梁系统的时变动力分析理论，建立列车轨道桥梁系统的空间振动分析模型.本文计算了桥梁加固前后的动力响应和加固后不同速度条件下桥梁的动力响应，将计算结果与现场实车试验作了对比.计算及试验结果表明，采用辅助钢梁加固法能同时显著提高混凝土双 T 梁的横向和竖向刚度.因此该加固方法是合理可行的. 关键词：重载铁路；简支双 T 梁；辅助钢梁加固；动力响应 中图分类号：U441.2 文献标识码：A Dynamic Response A
2、nalysis of Heavyhaul Railway Bridge Strengthened by Bonding Assisted Steel Beams JIANG Lizhong1， LONG Weiguo1，2，YU Zhiwu1 ，CHEN Lingkun1 ，LI Li3 （1. School of Civil Engineering and Architecture， Central South Univ， Changsha，Hunan 410075，China； 2. School of Mathematics and Physics， Univ of South Chin
3、a，Hengyang，Hunan 421001，China； 3. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjing 300142，China） 2Abstract：The existing heavyhaul railway concrete simply supported doubleTtype beam bridges can not meet the requirements of heavy haul transport. So， a strengthening method of bo
4、nding assisted steel beams for the existing heavyhaul railway bridges was put forward. Using the theory of traintrackbridge timevarying system， the spatial dynamic analysis model of traintrackbridge system was set up. And based on the existing heavyhaul railway concrete simply supported doubleTtype
5、beam bridge and strengthening method， the dynamic response was analyzed， the dynamic response of bridges at different speed reinforcements was calculated. Comparing the real vehicle testing data with the calculation results， it has been shown that the strengthening method of bonding assisted steel b
6、eams can improve the lateral and vertical stiffness of the concrete simply supported doubleTtype beam bridge. Therefore， the strengthening method is feasible and reasonable. Key words：heavyhaul railway； simply doubleT girder； strengthening of bonding assisted steel beams； dynamic response 各种荷载作用下不同桥
7、梁的动力响应和机理一直是结构动力学的研究前沿.在过去的 100 多年里，国内外研究工作者在此领域进行了大量的3研究，取得了一系列较为显著的成果.在国外，Pesterev 和 Bergman 研究移动荷载作用下桥梁的振动问题1，Michaltsos 等研究了移动质量作用下简支桥梁的动力响应和移动荷载作用下单跨梁的动力特性2-3，Matsuura 研究了高速铁路桥梁的动力行为4等；在我国，杨仕若等研究了列车通过钢桁梁桥时的动力响应5，党立俊等研究了高速铁路预应力简支箱梁桥的动力响应6，吴亮秦等研究了城市轨道交通 U 型梁车桥的动力响应7，陈上有等研究了变速移动荷载作用下简支梁的动力响应8，李喜梅等
8、研究了不同桥面刚度下桥梁结构的动力响应9等等10-13.就其桥梁来说，主要是针对既有桥梁，但对加固桥梁的动力响应研究较少. 由于我国重载铁路桥梁大多数采用的是混凝土双 T 型截面简支梁，翼缘下有较大的使用空间，在原梁腹板外侧锚固辅助钢梁来加固重载铁路桥梁，可以提高重载铁路桥梁的承载力及横向和竖向抗震能力.本文以载重列车作用下辅助钢梁加固混凝土双 T 梁桥为研究对象，运用车轨桥系统耦合时变分析理论的方法，对桥梁动力响应等方面因素进行综合分析，并通过现场实车试验来验证加固方案，为进一步研究此类重载铁路桥梁的振动机理提出合理建议，为我国既有此类重载铁路桥梁加固改造工程提供技术参考. 湖南大学学报（自
9、然科学版）2013 年 第 7 期蒋丽忠等：辅助钢梁加固重载铁路桥梁的动力响应分析 1 工程概况 朔黄铁路上某特大桥于 1997 年开工，2000 年竣工.该桥梁全长700.66 m，桥跨布置为多跨预应力混凝土双 T 型简支梁，其跨度为 32.76 m，下部结构为双线共用双柱式轻型墩，墩高为 12.27 18.28 m 不等，4墩身直径为 1.90 m，两墩柱中心距为 4.00 m，盖梁高为 2.27 m，基础为两层扩大基础，该桥除第 16 跨至第 21 跨（桥梁的东段）外位于直线上，其余均位于曲线上，桥上直线段设有-2的纵坡.当时设计年运输能力为6 800 万吨，2010 年，提出年运输能力
10、要达到 3 亿吨.因此，必须对现有桥梁进行加固，以满足更大轴重的列车运行. 2 加固方案 2.1 加固方案的选择 常用的桥梁加固按其目的分为两个方面：1） 提高梁体的承载能力；2） 提高梁体的横向刚度.本文选择辅助钢梁法来加固双 T 型桥梁，这是因为在原梁上锚固辅助钢梁既可以提高重载铁路桥梁的承载力，也可以同时提高梁的横向和竖向刚度. 2.2 梁体加固 主要是在简支 T 梁两侧采用钢板梁对其进行加固，可以充分利用简支梁翼缘下的空间，最大限度地增加钢板梁的高度，如图 1 所示. 钢梁和简支 T 梁通过两种方式进行连接，一是在混凝土 T 梁翼缘底部钻孔，植入连接钢筋，并在钢梁上翼缘板与混凝土梁翼缘
11、板底部之间每隔一定距离浇注一段的混凝土块进行连接；二是钢梁与横隔 T 形连接板及 T 形连接板与混凝土 T 梁均采用膨胀螺栓连接.这样可以使整体梁以协同受力，共同承担荷载. 本加固方法的主要特点：1） 施工简单方便，且不影响桥上的列车营运；2） 采用多种方式传递力，使梁整体受力分布较好；3） 不影响桥梁下的通行能力；4） 能较大提高梁的承载力及横向和竖向刚度. 53 车轨桥系统动力分析模型 3.1 车辆空间振动分析模型 车辆为一系轴箱悬挂货车，车体具有 5 个自由度，分别为沉浮、横移、侧滚、点头和摇头；前后转向 架由两个侧架和一个摇枕组成，摇枕只有一个摇头自由度，其余运动皆视为与车体刚性连接.
12、考虑侧架纵向、横移和摇头运动自由度，忽略其侧滚运动，而点头和沉浮运动取决于轮对的振动形式；轮对具有 5 个方向运动自由度，如图 2 所示.因此每一辆重载货车车辆模型具有 39 个自由度. （a）正视图 （b）后视图 （c） 俯视图 3.2 轨道空间振动分析模型 本文轨道采用连续弹性 3 层梁模型，将钢轨模型化为以桥墩为弹性支座的无限长连续简支梁模型.轨枕和道床视为弯曲刚度为零的 Euler 梁；用 3 层均布的线性弹簧和阻尼器来模拟钢轨下垫板及扣件、道床和路基的刚度和阻尼.钢轨采用空间梁单元，将钢轨以扣件间距为单元长度划分单元，并以扣件支点为单元节点来建立钢轨模型，如图 3 所示. 3.3 桥
13、梁空间振动分析模型 假设为桥梁均等截面 Euler 简支梁.主梁采用空间梁段单元建模.桥梁支座的横向剪切刚度采用线性弹簧模拟.对加固部分采用等效模量法进行截面处理，例如，在计算竖向惯性矩 Iz 时，加固用的辅助钢梁高度不6变，而辅助钢梁的宽度按两梁的材料弹性模量之比值相应增大.假定与原混凝土 T 梁紧密结合，但作了相应的修正，计算跨度为 32 m. （a） 侧视图 （b） 正视图 4 加固前后桥梁动力响应计算与分析 4.1 加固前后桥梁的自振特性 根据上述桥梁的空间振动模型，对该梁加固前后的自振特性进行了计算，结果见表 1.加固后桥梁的第一阶固有频率为 6.25 Hz，是人体敏感频率，也是列车
14、通行要尽量避开的振动区域. 4.2 加固前后桥梁的动力响应计算与分析 根据上述空间振动模型与计算原理，采用自编的 MATLAB 车轨桥系统分析程序，对桥梁加固前后的动力特性进行仿真计算，设置列车编组为：内燃机车（DF4） 1+拖车（C64）56，其速度为 70 km/h，采用美国4 级轨道不平顺谱.计算结果见表 2. 从表 2 中可知，重载铁路桥梁加固后，1） 梁的各动力指标均减小，且随车速增大降低率也随着增大；2） 梁跨中的竖向和横向振幅及梁端横向振幅减低幅度较大，且降幅大于 10%；3） 梁跨中的竖向和横向加速度及挠度均降低，且降幅也在 10%左右.从图 4，图 5 可以看出，随着列车的速
15、度增加，桥梁跨中的最大动挠度和横向振幅随之增大，但绝不是简单的线性增加. 5 桥梁动力响应试验 在 2011 年 3 月，对该桥梁的第二跨进行加固前实车试验，试验车的7车速为 70 km/h，试验车编组为：内燃机车（DF4）1+电力机车（SS4）1+（C64 重）18+（C64 空）10+内燃机车（DF4）1，对该跨的跨中动挠度、横向振幅、竖向振幅、横向加速度及梁端横向振幅进行测试，各种测试结果并进行滤波处理.610 月对该跨进行辅助钢梁加固，11 月对该跨进行加固后实车试验，试验车的车速、编组及测试内容与上相同，加固前后所测得动力响应最大值见表 3.为了与试验保持相同的行车时间，计算列车编组
16、为：内燃机车（DF4） 1+拖车（C64）28，其速度为 70 km/h，采用美国 4 级轨道不平顺谱. 图 8 和图 9 的横向振幅时程曲线，由于 H891-型拾振仪测得的是横向振幅，程序计算的是横向位移，是两个不同的物理量，程序计算的位移是正确的，符合力学原理，可见测试结果与仿真计算结果在波形和数值上基本一致.通过试验和计算分析结果表明： 1） 采用辅助钢梁加固混凝土双 T 型桥梁，可以增大桥梁的横向和竖向刚度，从而降低了桥梁的动力响应，试验数据也验证了这一点； 2） 从表 3 中可以得出，理论计算结果与试验结果存在误差，主要是因为试验列车编组与计算列车编组不同及计算轨道不平顺与实际轨道不
17、平顺存在差异，但仿真计算结果在波形和数值上基本一致； 3） 从表 2、3 中可得出，此种加固方法对桥梁的跨中竖向和横向振幅及梁端振幅降低的幅值较大. t/s 6 结 论 辅助钢梁加固混凝土双 T 桥梁，通过重载列车轨道桥梁系统的动力8分析和计算结果，以及实车试验，可以得到如下结论： 1） 加固后，桥梁的自振特性在合理值范围内； 2） 桥梁加固后，桥梁的横向和竖向刚度都有所增大，从而降低了桥梁的动力响应； 3） 随着列车的速度增加，桥梁的动力响应随之增大，但都不是简单的线性增加. 参考文献 1 PESTEREV A V，BERGMAN L A. Response of a nonconserva
18、tive continuous system to moving concentrated load J. Jappl Mech，1998，65：436-444. 2 MICHALTSOS G，SOPHIANOPOULOS D，KOUNADIS A N. The effect of a moving mass and other parameters on the dynamic response of a simply supported beam J. Journal of Sound and Vibration，1996，191（3）：357-362. 3 MICHALTSOS G T.
19、 Dynamic behaviors of a singlespan beam subjected to loads moving with variable speeds J. Journal of Sound and Vibration，2002，258（2）：359-372. 4 MATSUURA A. Study of dynamic behaviors of bridge girders for high speed railway J. Journal of JSCE，1976，256（12）：1512-1518. 5 杨仕若，曾庆元. 列车通过钢桁梁桥时动力响应分析J. 铁道工程
20、学报，2010，142（7）：48-51. 9YANG Shiruo， ZENG Qingyuan. Analysis of dynamic response of steel truss girder bridge when train passingJ. Journal of Railway Engineering Society， 2010，142（7）：48-51. （In Chinese） 6 党立俊，苏木标，李强. 高速铁路预应力简支箱梁桥动力响应分析J. 石家庄铁道学院学报，2007，20（4）：66 -70. DANG Lijun， SU Mubiao， LI Qiang. D
21、ynamic analysis of prestressed simply supported box girder bridge on high speed railwayJ. Journal of Shijiazhuang Railway Institute， 2007，20（4）：66 -70. （In Chinese） 7 吴亮秦，吴定军，李奇. 城市轨道交通 U 型梁车桥动力响应分析J. 铁道科学与工程学报，2010，7（6）：6-11. WU Liangqin， WU Dingjun， LI Qi. Vehiclebridge dynamic response analysis o
22、f Ugirder for urban rail transitJ. Journal of Railway Science and Engineering， 2010，7（6）：6-11. （In Chinese） 8 陈上有，夏禾，战家旺，等. 变速移动荷载作用下简支梁的动力响应分析J. 中国铁道科学，2007，28（6）：41-46. CHEN Shangyou， XIA He， ZHAN Jiawang， et al. Dynamic response analysis of simplysupported beam under speedvarying loadsJ. China Ra
23、ilway Science， 2007，28（6）：41-46. （In Chinese） 109 李喜梅，杜永峰. 不同桥面刚度下桥梁结构的动力响应分析J.武汉理工大学学报，2010，32（9）：328 -330. LI Ximei， DU Yongfeng. Analysis of the dynamic response of bridge under different deck stiffness J. Journal of Wuhan University of Technology， 2010，32（9）：328 -330. （In Chinese） 10郭薇薇，夏禾，李慧乐，等
24、. 铁路新型钢混凝土组合桁架桥在列车作用下的动力响应分析J. 振动与冲击，2011，31（4）：128-133. GUO Weiwei， XIA He， LI Huile，et al. Dynamic analysis of a new type of railway steelconcrete composite trussed bridge under running trains excitation J. Journal of Vibration and Shock ， 2011，31（4）：128-133. （In Chinese） 11陶胜利，黄方林，黄志辉. 移动荷载速度对梁桥跨
25、中动力响应影响的分析J. 噪声与振动控制，2009，2：27-30. TAO Shengli， HUANG Fanglin， HUANG Zhihui. Effect of moving loads speed on dynamic response of bridge at the center of spanJ. Noise and Vibration Control， 2009，2：27-30. （In Chinese） 12罗松南，扬敬林. 预应力混凝土梁桥在移动荷载作用下的动力响应分析J. 应用力学学报，2008，25（3）：103-106. LUO Songnan， YANG Jinglin. Dynamic response analysis of
