维普资讯 http://www.cqvip.com １５２ 西部探矿工程 ２００７年第６期 桥梁加固技术分析 田云中 （中铁十一局集团四公司，湖北武汉４３００７４） 摘要针对铁路列车提速时出现的既有线上某些钢板梁桥振幅过大的问题，以提高桥梁自振频率和 降低振幅为目的展开分析。用有限元软件ＡＩ ＧＯＲ对４０ｍ上承钢板梁桥建立空间有限元模型，并对 模型进行了不同加固方案的静力分析和动力模态分析计算，得到各加固方案的振幅、应力和前五阶自 振频率。通过定量分析比较发现：单纯靠增加各连接系杆件的数量或增大杆件的截面虽然可以使桥 梁振幅有所减小，但梁体的自振频率的增幅不大，不能避免共振现象的发生。而上平纵联和下平纵联 均由原来的三角杆系改为交叉杆系的方案，对减小梁体的振幅和提高自振频率效果最好。为开展钢 板梁桥的加固工作提供了参考的依据，所得结果可供决策部门参考。 关键词：钢板梁；加固措施；ＡＩ Ｇ（）Ｒ；平纵联 中图分类号：Ｕ４４文献标识码：Ｂ文章编号：１０Ｏ４—５７１６（２００７）０６～０１５２一Ｏ３ １ 问题的提出 １．１ 工程概况 加劲肋的宽度。另外，由于我们把桥面铺装平均到主梁 的上翼缘板，故上翼缘不同厚度的板单元的密度不同。 下翼缘密度相同，等于整个结构的密度。 上、下平纵联采用ｔｒｕｓｓ单元，横联也为ｔｒｕｓｓ单 以京广线郑州黄河大桥为例，其上部结构由７１孔 ４０ｍ上承式钢板梁组成，双线桥墩，上下行桥面线路均 为木枕明桥面，为一铆接钢板梁。通过对该桥的实时监 测结果表明，提速货车通过桥梁时，桥梁跨中横向振动 幅值普遍较大。中等跨度铁路桥梁横向刚度不足、横向 振动较大已成为普遍现象。通过理论计算与现场实测， 认为铁路上承式钢板梁桥横向振幅过大的主要原因之 是梁体本身的横向刚度不足，当列车以高速通过桥梁 时，对桥梁的横向作用力增大，桥梁的横向位移过大。 该桥钢材采用１６Ｍｎｑ钢，两片主梁中心矩为２ｍ， 每片主梁由高３２８０ｍｍ厚１２ｍｍ的腹板及宽４５０ｍｍ 的翼缘板用１２ｍｍ×１２ｍｍ的自动焊缝连接组成工字 截面。腹板全长达４０．６ｍ。翼缘板采用变截面的，在翼 缘截面变化处，在构造上都考虑了使截面均匀过渡。 一元，横联、斜撑采用ｔｒｕｓｓ单元，每隔４ｍ一对。竖向加 劲肋为板单元，厚度为１２ｍｍ。 本模型由板单元（ｐｌａｔｅ）、桁单元（ｔｒｕｓｓ）组成。其 有节点１１８４个；桁单元包括上屏纵联杆件６１，下 平纵联杆件４６，横联杆件２０，共计１２７；板单元包括腹 板２２２，上、下翼缘５９２，竖向加劲肋４３２共计１２４６。 ２ 静力加固方案研究 对于线性静态应力分析，我们采用中一活载的换算 荷载布置荷载，查中一活载的换算荷载表得：加载长度为 竖向加劲肋用板条做成，成对地布置在腹板的两 侧。从支点到跨中以间距为：１．３ｍ、１．３ｍ、１．４ｍ、 １．３ｍ、１．３ｍ、１．４ｍ、１．３ｍ、１．３ｍ、１．４ｍ、１．３ｍ、１．３ｍ、 １．４ｍ、１．３ｍ、１．３ｍ、１．４ｍ分布。 １．２ ４０ｍ上承式钢板梁模型的建立 腹板采用截面为３２８０ｍｍ×１２ｍｍ，长４０．６ｍ的板 单元模型。Ｙ方向按竖向加劲肋布置进行剖分，另外在 翼缘截面变化处再进行细分，ｚ方向剖分为３块。 ４０ｍ，跨中的换算荷载为９６．１ｋＮ／ｍ。根据有限元分析结 果确定梁的内力控制截面，控制截面的选择必需有代表 性，便于分析和计算。挠度控制截面应布置在结构最大 挠度处，应变测点应布置在最不利端面的最大受力纤维 上。本例为单跨简支梁，故我们选跨中为控制截面。 我们以提高梁体的横向刚度和自振频率为目的，对 ４０ ｍ上承钢板粱桥的横向静力加固方案和动力模态进 行了较为全面的研究和计算分析。分别对不同的加固 方案进行了建模分析，计算出了控制截面处的横向位 移、竖向位移、总位移、构件的应力和自振频率等参数， 进行分析比较，从而选出合理的加固方案。 为了提高钢板梁的横向刚度，进而提高桥梁的横向 自振频率，在一定速度下避开共振区，改善桥梁的横向 动力特性，一个较有效的措施就是提高上、下平纵联的 上、下翼缘沿Ｙ方向采用不同截面的板单元模型。 Ｙ方向为与腹板连接，剖分形式和腹板相同。考虑到竖 向加劲肋的宽度，Ｘ方向剖分为４块，１块的宽度为竖向 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第６期 西部探矿工程 １５３ 抗剪变形能力。因此，可以采取措施加强上、下平纵联 的连接杆件，用以提高上、下平纵联的抗剪能力，增强钢 方案五：在方案四的基础上，将上平联的交叉杆件 的截面加倍。 ２．４下平联双倍加固 板梁的横向刚度。 ２．１ 加强上平联 方案一：将匕平联的三角连接形式改为交叉连接形式。 ２．２加强下平联 方案二：在方案一的基础上，将下平联的横联加密。 方案三：在方案二的基础上，将下平联的三角连接 形式改为交叉连接形式。 ２．３上平联双倍加固 方案六：在方案五的基础上，将下平联的横杆的截 面加倍。 方案七：在方案六的基础上，将下平联的交叉杆件 的截面加倍。 ２．５横联双倍加固 方案四：在方案三的基础上，将上平联的横杆的截 面加倍。 方案八：在方案七的基础上，将横联的交叉杆件的 截面加倍。 ３ 加固前后计算结果对比 ３．１ 计算结果（见表１～３、图１～４） 表１ 各方案位移、内力比较 图１水平位移图 图３总位移图 一阶频率 图２竖向位移图 图４一阶频率图 维普资讯 http://www.cqvip.com １５４ 表２ 各方案自振频率比较 西部探矿工程 ２００７年第６期 振频率３．３２３６５Ｈｚ与京广线郑州黄河大桥实测横向 第一自振频率基本吻合，说明由板壳单元、三维梁单元 组成的空间结构模型能较真实地反映原结构体系。 （２）通过对上平纵联及下平纵联两种加固方案的计 算结果分析表明，在提高梁体横向自振频率及横向刚度 方面，上平纵联加固优于下平纵联加固。 （３）通过比较上、下平纵联横撑、斜撑双倍加固及 上、下平纵联斜撑双倍加固两种加固方案对梁体横向自 表３ 各方案自振频率增幅比较 ３．２结果分析 从表中的计算结果可知，通过增加联结杆件数量来 加固钢板梁桥，可使得钢板梁桥的横向自振频率较原结 构增加，尤其是方案三，将上、下平纵联的三角形体系都 改为交叉体系时，增幅最大。由上表计算出的各种加固 方案的自振频率进行分析，经过计算比较认为： （１）强联结系一定程度上能够提高桥梁横向自振频 率，上、下平纵联同时加固效果较好。 （２）增大水平连接杆件的截面，钢板梁桥的横向自 振频率较原结构减小。 （３）增大端横联连接杆件的截面，钢板梁桥的横向 自振频率较原结构减小。 综合静力分析与动力分析的结果，我们选择方案 三，即将上、下平纵联的连接形式由三角形改为交叉形 式，提高上、下平纵联的抗剪变形能力，增强钢板梁的横 向刚度，同时钢板梁的各阶自振频率也较其它加固方案 有了显著的提高，说明以上的加固方案及计算方法是可 行的，可为旧桥加固和新桥设计提供理论依据。 ４ 结论 （１）通过理论计算得出的加固前原结构横向第一自 振频率及横向刚度的影响，可知上、下平纵联横撑对梁 体横向刚度的提高影响甚微，由于横撑的加入增加了 梁体自重，因而横撑加固不能提高梁体自振频率。 （４）横联加固方案对桥梁横向自振频率和横向刚度 的提高效果不大。 由于施工工艺、以及所建模型与实际构件的差异等 原因，实测自振频率与理论计算值之间还是会存在一定 的差异。我们应该仔细分析，抓住模型与实体的本质， 以求模型与实体的材料属性、所受约束、受力特征等特 征尽量吻合。模型与实体的差异越小，我们在加固时就 越能有的放矢，药到病除。 总的来说，以上的加固方案及计算方法是可行的， 可为旧桥加固和新桥设计提供理论依据。 参考文献： ［１－１徐彝．桥梁检测与维修加固百问Ｉ－Ｍ－Ｉ．北京：人民交通出版 社，２００２：１－７． ［２］刘长利．Ａｌｇｏｒ有限元分析软件实例教程［Ｍ］．北京：人民 交通出版社，２００５：１３—２６． ［３］赵，王宏钰．结构有限元分析［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，１９８３：７９—１２３． ［４］张宏杰，夏禾，黄绚哗．钢板梁桥横向刚度加固及其试验分 析［Ｊ］．工程力学，１９９８（增刊）：４７３—４７８． Ｅ５］蒋跸．铁路提速既有线上承钢板梁横向刚度分析及钢梁加 固技术研究［Ｊ］．铁道标准设计，１９９８（３）：ｉ－４． ［６］顾民杰，吴迅．铁路上承式钢板梁桥横向刚度加固［Ｊ］．上 海铁道大学学报，１９９８（１２）：卜５． ［７］《桥梁设计常用数据手册》编委会．桥梁设计常用数据手册 ［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５． ［８］Ｈ Ｘｉａ．Ｇ Ｄｅ Ｒｏｅ＆．Ｈ Ｒ Ｚｈａｎｇ．ｅｔ ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｒｉｎ～ｂｒｉｄｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｔｅｅｌ Ｇｉｒｄｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ｃｏｎ１ｐｕｔｅｒｓ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００１，７９：１８５１— １８６０． ［９］Ｈｙｏ－－Ｇｙｏｕｎｇ Ｋｗａｋ，Ｊｅ—Ｋｕｋ Ｓｏｎ．Ｓｐａｎ ｒａｔｉｏｓ ｉｎ ｂｒｉｄｇｅｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｂａｌａｎｃｅｄ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｃｏｎ— ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００４，１８：７６７—７７９．
