跨度64米铁路钢桁梁适应轴重30t重载列车强化方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体而言，涉及一种跨度64米铁路钢桁 梁适应轴重30t重载列车运营的强化方法。

背景技术

我国地域辽阔，人口众多，铁路运营现状难以满足巨大的货物运输需求， 随着近年来高速铁路的发展，适时在既有线开行重载货物列车可以有效缓解 这一矛盾。

在重载相关研究中，提出我国新建与既有路网互联互通的完善性线路， 货车轴重定位宜为27吨，现有运煤专线专用货车轴重不宜小于30t。开行重载 货物列车对于线下的钢桥结构来讲无疑会引起较大的受力变化，钢桥杆件众 多，列车轴重的增大和运输次数的增加对于不同类型的杆件产生的影响也不 尽相同。如果仅仅因为重载列车荷载超过了设计荷载就予以更换或重建，必 将造成巨大浪费，可针对薄弱构件或部位进行适当的强化或改造。近年来， 针对铁路钢桥进行横向刚度改造的案例较多，而针对重载强化的案例并不多 见。

钢梁杆件强化时要区分拉杆和压杆，强化拉杆时，可以采用加大截面法 (加焊钢板、型钢)或粘贴碳纤维复合材料等方法，但工地焊接难以保证焊 缝质量，容易因焊接缺陷形成新的裂纹，进而影响钢桥使用寿命，因此可采 用栓接钢板进行强化。强化压杆时，通常在在翼缘两侧用高强螺栓加贴钢板， 以增加杆件的抗弯刚度。杆件强化后还应注意对节点板进行强化，以免在连 接处形成新的薄弱部位。更换新节点板难度较大，通常采用的是增加节点板 厚度、延伸节点板范围、更换连接铆钉等强化方式。开行重载货物列车后， 因疲劳应力幅的增大和作用次数的增加，钢桥会相继出现疲劳裂纹，按裂纹 成因可分为循环主应力引起的疲劳裂纹和往复面外变形引起的疲劳裂纹两 类。针对循环主应力引起的疲劳裂纹，在强化时应设法降低其应力幅值，可 采取的措施有：加贴拼接板、增加杆件有效截面、更换鱼形板等。同时应设 法消除焊缝原始缺陷，可采取的措施有：对焊缝进行锤击、打磨、TIG熔修等。 针对往复面外变形引起的疲劳裂纹，通常从两个方面进行强化。一方面，放 松小间隙处约束以减小刚度，释放变形，如钻止裂孔可减小或释放对腹板面 外变形的约束，当止裂孔无法阻止裂纹扩展时，还可配合切割部分竖向加劲 肋增大小间隙长度，以减小面外变形产生的次应力；另一方面，加强连接以 增加刚度，约束面外变形，如采用角钢将加劲肋与翼缘进行连接。为避免消 弱受拉翼缘截面，也可采用T型加劲肋加劲腹板等方法进行强化。

截至2015年末，全路共有钢桥6000余孔，其中下承式桁梁孔数较多，约 占总数的近20％。国内已有钢桁梁强化案例仅限于对梁体横向刚度的加固，尚 没有针对于重载的强化改造案例。

我国铁路桥梁长期以来一直按照中-活载标准进行设计，即使作为重载铁 路专线的大秦线，也同样采用了中-活载图式，该设计标准从承载能力上可以 涵盖25t轴重列车，通行27t轴重通用货车也基本可行。对于64m钢桁梁而言， 仅小部分影响线长度小于8m的杆件需要局部强化。但如果通行轴重30t及以上 的重载列车，其静荷载效应已经超过了设计荷载，局部小范围的强化已不能 满足30t重载使用要求。对于64m钢桁梁而言，主桁杆件以及连接节点板，桥 面系杆件以及纵横梁连接处的鱼形板等均需要强化，才能满足30t重载使用要 求。鉴于此，重载强化难度较大，主要体现在强化工程量大，施工作业面多， 尤其是如何在不影响线路正常运营的情况下，又好又快的完成强化改造是一 项崭新课题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种不影响正常行车的既有双 线跨度64米铁路钢桁梁适应轴重30t重载列车的强化方法。

本发明提供了一种64米铁路钢桁梁适应轴重30t重载列车强化方法，对 64米铁路钢桁梁进行强化施工，具体包括：

步骤1，对铁路桥面系中的36处鱼形板进行更换，鱼形板更换涉及桥面 线路，需在两小时天窗点内完成，每次维修天窗点内更换4块鱼形板，展开 四个工作面，具体包括：

步骤11，点外准备，天窗点开始，起顶线路建立工作面：

步骤A1，将施工区段两侧各15米范围内的钩螺栓预拧一遍，并涂抹机 油，针对每块鱼形板范围内涉及的4根拟抽出枕木进行编号；

步骤A2，清洁新鱼形板摩擦面，按所需型号将螺杆、螺帽及垫片配套连 接，将新鱼形板和高强螺栓在线路两侧就位；

步骤A3，主轨拆除施工区段两侧各15米扣件，并将影响更换鱼形板的4 根枕木和铁垫板一并拆除，护轨拆除道钉、拆除距离与主轨相同；

步骤A4，利用齿条压机将主轨及护轨顶起，顶起高度为100mm，顶起时 先起护轨，再起主轨；

步骤A5，每块鱼形板范围内涉及的枕木数为4根，将4根枕木一一抽出， 每根枕木抽出时，首先卸除需抽出枕木上的螺纹道钉及K型垫板，拆除水平 螺栓；然后利用枕木钩子将枕木两端抬起，待枕木槽高于上盖板时将枕木向 两线间推送；最后当枕木头超过一端上盖板后，将枕木头沉入道心，另一端 的枕木头顺势向斜上抽出，抽出后放于未起顶钢轨区域进行枕木刻槽；

步骤12，拆除既有鱼形板，更换新鱼形板：

步骤B1，枕木抽出后，首先用电动板子拆除既有鱼形板上的13对高强 螺栓和两对防爬角钢，然后对摩擦面保持较好的上盖板进行清洁、干燥处理， 同时对有锈蚀的地方进行接触面的除锈；

步骤B2，采用手电锯锯槽，槽深控制在10mm，在新刻槽位置用煤焦油 涂刷进行防腐处理；

步骤B3，初装新鱼形板，首先在新鱼形板的前后栓孔处，各用一颗冲钉 进行精确定位；然后在前后栓孔处，各用一颗高强螺栓使两块板界面密贴； 最后根据新上鱼形板的位置，采用磁力钻在纵梁上翼缘进行M22高强螺栓孔 的打孔；

步骤B4，拆除新鱼形板，首先用棉布清理废渣，然后用大功率电吹风烘 干摩擦面；

步骤B5，再次安装新鱼形板，采用高强螺栓进行初拧、终拧；

步骤13，放回枕木，恢复线路：

步骤C1，将枕木按照抽出时的方法反向进行，枕木按原位放回，在原位 重新安装铁垫板、胶垫及螺纹道钉，防爬螺栓穿入拧紧，落轨时先落主轨再 落护轨，主轨落入垫板槽内即开始恢复线路，护木、钩螺栓及防落装置按原 编号进行恢复，护木恢复完毕后用铁皮将盖口处包扎并涂防腐油，对线路上 的防掉落设备进行检查保证恢复到原有状态；

步骤C2，施工完毕后对线路整细，确认线路条件，达到线路开通条件后， 恢复线路；

步骤C3，恢复线路之后，首趟列车以限速25km/h、第二趟列车以限速 45km/h、第三趟列车以限速60km/h的速度通过，24小时后恢复正常运营速 度；

步骤2，对32根纵梁的下翼缘进行强化：

步骤21，搭设施工脚手架；

步骤22，对纵梁下翼缘底面进行喷砂处理；

步骤23，维修天窗点内初装补强钢板，用卡具将其固定于纵梁下翼缘加 固部位；

步骤24，按照补强钢板孔位，采用磁力钻对纵梁下翼缘钢板套打成孔；

步骤25，安装高强螺栓；

步骤26，维修天窗点内对高强螺栓进行初拧、终拧；

步骤27，对纵梁腹板竖向加劲肋焊趾进行打磨；

步骤28，涂装；

步骤29，拆除脚手架；

步骤3，对12根主桁杆件进行强化，主桁杆件强化分为上、中和下三节 段，节段之间采用拼接板连接，涉及主桁节点部位的加固需在维修天窗内进 行，具体包括：

步骤31，摩擦面处理：

步骤D1，安装挂篮后，将已经筛选的砂子，装入砂罐，施工时，喷砂机 操作者穿好防护衣调整通风，开始喷砂，喷砂由上至下、先阴面再阳面依次 进行，每个部位喷砂完毕后，用压缩空气流吹开作业表面粉尘，检查质量， 如质量不合格，标出缺陷部位，随即进行补喷，去除全部主桁杆件金属表面 的油漆、氧化皮、浮锈；

步骤D2，天窗点结束前20分钟完成喷砂作业，对全桥面用高压风进行 彻底清理，同时对高压线绝缘端子进行擦拭，以确保供电正常；

步骤32，安装补强钢板：

步骤E1，将需要强化的主桁杆件的上节段和下节段的高强螺栓逐一拆除， 同时补入冲钉，安装上节段和下节段的补强钢板，按照补强钢板孔位，采用 磁力钻套打上节段和下节段新增螺栓孔；

步骤E2，将上/下节点板的冲钉替换为高强螺栓，完成初拧、终拧；

步骤E3，安装中间节段的补强钢板，按照补强钢板孔位，采用磁力钻套 打中间节段新增螺栓孔，对三个节段内的高强螺栓初拧、终拧；

步骤E4，安装三个节段间拼接板，涂装后拆除挂篮；

步骤E5，对施工质量检查，保证施工质量。

作为本发明进一步的改进，步骤1中，

将中间纵梁鱼形板更换为规格240×24×1570mm的钢板，端纵梁鱼形板 更换为规格240×24×1335mm的钢板；

在原纵梁跨中翼缘下方附加16×240×4000mm的连接板，附加连接板与 原构件采用Φ22mm的高强螺栓紧固，强化件最大杆件长度为4000mm；

主桁杆件强化在H形杆件的翼缘板上加设补强钢板，用高强度螺栓连接， 补强钢板分为上、中、下三节段，节段之间采用拼接板连接。

作为本发明进一步的改进，步骤B3中，

M22螺栓孔的直径偏差为：φ24±0.50mm，螺栓孔距的偏差±0.4mm。

作为本发明进一步的改进，步骤C2中，

线路开通的轨道静态几何尺寸容许偏差为：轨距为+6mm～-2mm、水平为 5mm、高低为5mm、轨向为5mm、三角坑为6mm。

作为本发明进一步的改进，步骤D1中，要保证所有主桁杆件的金属表面 在100×100mm面积中，95％的部分呈现均一的灰色金属面，并具有0.45以 上的摩擦系数。

作为本发明进一步的改进，步骤E1～E4中，

补强钢板按照首先上节段，其次下节段，再次中间节段，最后节段间拼 接板的顺序安装，每次更换整根杆件的1/4，即一块强化钢板，将需要更换的 部位1/2的高强螺栓解除，按对角线进行解除，解除一颗高强螺栓，穿入一颗 冲钉，以确保结构安全；

天窗点内将强化钢板吊装至强化位置，对准强化位置贴严钢板，用拆下 的高强螺栓固定强化钢板，并用电动扳手进行紧固，紧固后打出冲钉，用原 高强螺栓进行紧固；

紧固钢板采用原高强螺栓时，保证高强螺栓能带满母即可。

作为本发明进一步的改进，步骤E5中，当拼装出现摩擦面间隙时，采用 以下处理方法：

间隙小于1.0mm时，不予处理；

间隙在1.0～3.0mm时，将厚板一侧磨成1：10的缓坡，使间隙小于1.0mm；

间隙大于3.0mm时，加厚度不小于3.0mm的垫板，垫板材质和摩擦面处 理方法应与构件相同。

作为本发明进一步的改进，步骤3中，在主桁杆件强化时，为保证主桁 强化施工中的结构安全，施工过程中分别对桥面线形、部分构件应力和节点 位移进行了监测，以确保强化施工安全可控。

作为本发明进一步的改进，桥梁的线形控制点选择在主桁各节点处，测 量采用水准仪测量相对标高，分别测量强化前、强化过程中解除高强螺栓前 后及强化钢板安装前后的测点变位；

应力测点选在主桁跨中上、下弦杆翼缘，实时监测强化过程中解除高强 螺栓前后的应力变化。

作为本发明进一步的改进，步骤3中，除套打上/下节段新增螺栓孔和套 打中间节段新增螺栓孔可在维修天窗点外完成以外，其余步骤均需在两小时 维修天窗点内完成，每次天窗点内强化4根主桁杆件，展开四个工作面。

本发明的有益效果为：

1、通过鱼形板更换、纵梁和主桁杆件三部分强化，将原有运营轴重23t、 25t车辆荷载的桥强化至运营轴重30t车辆荷载，并在不影响线路正常运营的 条件下完成强化施工组织；

2、鱼形板更换施工涉及桥上线路破坏和恢复，为确保在两小时天窗点内 完成更换，提出了一整套系统严密的更换流程及方法，经工程实例验证，效 果良好，可为后续类似工程提供借鉴；

3、主桁杆件是桥梁结构的主要承重部件，在不卸掉恒载的情况下，系统 提出一整套主桁强化的流程及方法，效果良好，可为后续类似工程提供借鉴。

附图说明

图1为本发明实施例所述的64米铁路钢桁梁30t重载强化方法的流程示 意图；

图2为图1中步骤1的具体流程示意图；

图3为图1中步骤2的具体流程示意图；

图4为图1中步骤3的具体流程示意图；

图5为图2中步骤11的具体流程示意图；

图6为图2中步骤12的具体流程示意图；

图7为图2中步骤13的具体流程示意图；

图8为图3中步骤31的具体流程示意图；

图9为图3中步骤32的具体流程示意图；

图10为图1中待强化强化位置示意图；

图11为图1中既有鱼形板和新鱼形板的结构示意图；

图12为图1中纵梁强化前后的结构示意图；

图13为图1中主桁杆件强化前后的结构示意图；

图14为图13中斜杆上节点的结构示意图；

图15为图13中端吊杆上节点的结构示意图；

图16为图13中中吊杆上节点的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明实施例所述的一种64米铁路钢桁梁适应轴重30t重载列车强化方 法，以跨度64m的双线栓焊钢桁梁桥为例。该桥的桁高11m，主桁中心距 9.732m，节间长8m，钢梁主桁、桥面系、横联、上下平纵联等用钢均采用 Q345qD。桥面系纵横梁均为焊接工形、不等高设计，纵横梁上翼缘顶齐平， 用鱼形板连接。

本实施例以主桁斜竖杆、纵横梁连接鱼形板和桥面系纵梁为主的强化对 象。如图10所示，为本实施例的待强化位置示意图。强化涉及桥面系纵横梁 连接处36块鱼形板更换、桥面系32根纵梁强化、主桁12根杆件强化三部分 内容。如图11-16所示，中间纵梁鱼形板更换为规格240×24×1570mm的钢 板，端纵梁鱼形板更换为规格240×24×1335mm的钢板；在原纵梁跨中翼缘 下方附加16×240×4000mm的连接板，附加连接板与原构件采用Φ22mm的 高强螺栓紧固，强化件最大杆件长度为4000mm，全桥共计32处，对纵梁腹 板竖向加劲肋焊趾打磨，全桥256处；主桁杆件强化在H形杆件的翼缘板上 加设补强钢板，用高强度螺栓连接，补强钢板分为上、中、下三节段，节段 之间采用拼接板连接。

如图1-9所示，对64米铁路钢桁梁进行强化施工，具体包括以下步骤：

步骤1，对铁路桥面系中的36处鱼形板进行更换，鱼形板更换涉及桥面 线路，需在两小时维修天窗点内完成，每次天窗点内更换4块鱼形板，展开 四个工作面，具体包括：

步骤11，点外准备，天窗点开始，起顶线路建立工作面：

步骤A1，将施工区段两侧各15米范围内的钩螺栓预拧一遍，并涂抹机 油，针对每块鱼形板范围内涉及的4根拟抽出枕木进行编号；

步骤A2，清洁新鱼形板摩擦面，按所需型号将螺杆、螺帽及垫片配套连 接，将新鱼形板和高强螺栓在线路两侧就位；

步骤A3，主轨拆除施工区段两侧各15米扣件，并将影响更换鱼形板的4 根枕木和铁垫板一并拆除，护轨拆除道钉、拆除距离与主轨相同；

步骤A4，利用齿条压机将主轨及护轨顶起，顶起高度为100mm，顶起时 先起护轨，再起主轨；

步骤A5，每块鱼形板范围内涉及的枕木数为4根，将4根枕木一一抽出， 每根枕木抽出时，首先卸除需抽出枕木上的螺纹道钉及K型垫板，拆除水平 螺栓；然后利用枕木钩子将枕木两端抬起，待枕木槽高于上盖板时将枕木向 两线间推送；最后当枕木头超过一端上盖板后，将枕木头沉入道心，另一端 的枕木头顺势向斜上抽出，抽出后放于未起顶钢轨区域进行枕木刻槽；

步骤12，拆除既有鱼形板，更换新鱼形板：

步骤B1，枕木抽出后，首先用电动板子拆除既有鱼形板上的13对高强 螺栓和两对防爬角钢，然后对摩擦面保持较好的上盖板进行清洁、干燥处理， 同时对有锈蚀的地方进行接触面的除锈；

步骤B2，采用手电锯锯槽，槽深控制在10mm，在新刻槽位置用煤焦油 涂刷进行防腐处理；

步骤B3，初装新鱼形板，首先在新鱼形板的前后栓孔处，各用一颗冲钉 进行精确定位；然后在前后栓孔处，各用一颗高强螺栓使两块板界面密贴； 最后根据新上鱼形板的位置，采用磁力钻在纵梁上翼缘进行M22高强螺栓孔 的打孔，其中，M22螺栓孔的直径偏差为：φ24±0.50mm，螺栓孔距的偏差 ±0.4mm；

步骤B4，拆除新鱼形板，首先用棉布清理废渣，然后用大功率电吹风烘 干摩擦面；

步骤B5，再次安装新鱼形板，采用高强螺栓进行初拧、终拧；

步骤13，放回枕木，恢复线路：

步骤C1，将枕木按照抽出时的方法反向进行，枕木按原位放回，在原位 重新安装铁垫板、胶垫及螺纹道钉，防爬螺栓穿入拧紧，落轨时先落主轨再 落护轨，主轨落入垫板槽内即开始恢复线路，护木、钩螺栓及防落装置按原 编号进行恢复，护木恢复完毕后用铁皮将盖口处包扎并涂防腐油，对线路上 的防掉落设备进行检查保证恢复到原有状态；

步骤C2，施工完毕后对线路整细，确认线路条件，达到线路开通条件后， 恢复线路，其中，线路开通的轨道静态几何尺寸容许偏差为：轨距为 +6mm～-2mm、水平为5mm、高低为5mm、轨向为5mm、三角坑为6mm；

步骤C3，恢复线路之后，让首趟列车以限速25km/h、第二趟列车以限速 45km/h、第三趟列车以限速60km/h的速度通过，24小时后恢复正常运营速 度；

步骤2，对32根纵梁的下翼缘进行强化：

步骤21，搭设施工脚手架；

步骤22，对纵梁下翼缘底面进行喷砂处理；

步骤23，维修天窗点内初装补强钢板，用卡具将其固定于纵梁下翼缘加 固部位；

步骤24，按照补强钢板孔位，采用磁力钻对纵梁下翼缘钢板套打成孔；

步骤25，安装高强螺栓；

步骤26，维修天窗点内对高强螺栓进行初拧、终拧；

步骤27，对纵梁腹板竖向加劲肋焊趾进行打磨；

步骤28，涂装；

步骤29，拆除脚手架；

步骤3，对12根主桁杆件进行强化，主桁杆件强化分为上、中和下三节 段，节段之间采用拼接板连接，涉及主桁节点部位的加固需在维修天窗内进 行，具体包括：

步骤31，摩擦面处理：

步骤D1，安装挂篮后，将已经筛选的砂子，装入砂罐，施工时，喷砂机 操作者穿好防护衣调整通风，开始喷砂，喷砂由上至下、先阴面再阳面依次 进行，每个部位喷砂完毕后，用压缩空气流吹开作业表面粉尘，检查质量， 如质量不合格，标出缺陷部位，随即进行补喷，去除全部主桁杆件金属表面 的油漆、氧化皮、浮锈，其中，要保证所有主桁杆件的金属表面在100×100mm 面积中，95％的部分呈现均一的灰色金属面，并具有0.45以上的摩擦系数；

步骤D2，天窗点结束前20分钟完成喷砂作业，对全桥面用高压风进行 彻底清理，同时对高压线绝缘端子进行擦拭，以确保供电正常；

步骤32，安装补强钢板，补强钢板按照首先上节段，其次下节段，再次 中间节段，最后节段间拼接板的顺序安装，每次更换整根杆件的1/4，即一块 强化钢板，将需要更换的部位1/2的高强螺栓解除，按对角线进行解除，解除 一颗高强螺栓，穿入一颗冲钉，以确保结构安全；天窗点内将强化钢板吊装 至强化位置，对准强化位置贴严钢板，用拆下的高强螺栓固定强化钢板，并 用电动扳手进行紧固，紧固后打出冲钉，用原高强螺栓进行紧固；紧固钢板 采用原高强螺栓时，保证高强螺栓能带满母即可；具体包括：

步骤E1，将需要强化的主桁杆件的上节段和下节段的高强螺栓逐一拆除、 补入冲钉，安装上节段和下节段的补强钢板，按照补强钢板孔位，采用磁力 钻套打新增螺栓孔；

步骤E2，将上/下节段板的冲钉替换为高强螺栓，完成初拧、终拧；

步骤E3，安装中间节段的补强钢板，按照补强钢板孔位，采用磁力钻套 打新增的螺栓孔，对三个节段内的高强螺栓初拧、终拧；

步骤E4，安装三个节段间拼接板，涂装后拆除挂篮；其中，除套打上/ 节段新增螺栓孔和套打中间节段新增螺栓孔可在维修天窗点外完成以外，其 余步骤均需在两小时维修天窗点内完成，每次天窗点内强化4根主桁杆件， 展开四个工作面；

步骤E5，对施工质量检查，保证施工质量，其中，当拼装出现摩擦面间 隙时，采用以下处理方法：

间隙小于1.0mm时，不予处理；

间隙在1.0～3.0mm时，将厚板一侧磨成1：10的缓坡，使间隙小于1.0mm；

间隙大于3.0mm时，加厚度不小于3.0mm的垫板，垫板材质和摩擦面处 理方法应与构件相同。

在主桁杆件强化时，为保证主桁强化施工中的结构安全，施工过程中分 别对桥面线形、部分构件应力和节点位移进行了监测，以确保强化施工安全 可控。桥梁的线形控制点选择在主桁各节点处，测量采用水准仪测量相对标 高，分别测量强化前、强化过程中解除高强螺栓前后及强化钢板安装前后的 测点变位；应力测点选在主桁跨中上、下弦杆翼缘，实时监测强化过程中解 除高强螺栓前后测点的应力变化。

强化完成后，进行效果测试，测试结果如表1所示。强化板件与原构件 共同受力，且强化后纵梁应力减小35％，强化效果达到预期值。强化过程中， 各主桁节点位移未有错动现象、桥面线形正常、构件受力正常，可满足通行 30t重载列车要求。

表1

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本 领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。