劉小正（西安鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，陜西西安　710054）

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山西中南部鐵路通道鋼桁梁橋維修設(shè)備方案設(shè)計(jì)

劉小正
（西安鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，陜西西安710054）

摘要鐵路運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展對(duì)于事關(guān)行車安全的鐵路橋梁管理、檢查、養(yǎng)護(hù)維修、大修加固、技術(shù)檢定等方面提出了更高的要求，尤其對(duì)于特大、異型橋梁和電氣化鐵路橋梁，其養(yǎng)護(hù)工作更加需要專業(yè)的維修設(shè)備。本文針對(duì)山西中南部鐵路通道鋼桁梁橋橋群的具體結(jié)構(gòu)共性和檢修要求，在對(duì)現(xiàn)有幾種橋梁維修設(shè)備比較分析的基礎(chǔ)上，闡述了該線橋梁檢修技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)考慮維修方案工作范圍、安全性、可操作性、成本控制等諸多因素，提出了適用于山西中南部鐵路通道鋼桁梁維修的設(shè)備方案并對(duì)主要部件加以檢算，為維修工作的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞鐵路橋梁；維修設(shè)備；維修車；方案設(shè)計(jì)

近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)鐵路建設(shè)的不斷投入，我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)和建造都有了很大的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)橋梁的通行能力和承載能力提出了更高要求。特別是幾次鐵路大提速，橋梁安全成為保證順利提速的重要因素［1］。橋梁的定期維護(hù)可使橋梁功能正常，狀態(tài)完好，從而確保行車安全并大大地延長(zhǎng)使用壽命。然而與橋梁的設(shè)計(jì)施工相比，我國(guó)鐵路橋梁的養(yǎng)護(hù)和維修水平還存在較大差距，橋梁的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)已成為當(dāng)前值得認(rèn)真研究解決的重要課題。根據(jù)鐵路橋梁養(yǎng)護(hù)維修的經(jīng)驗(yàn)，越是大型特殊形式的新型橋梁，越需要重視檢查維修設(shè)備的研究和配置問題，這樣才能保證橋梁和行車的安全運(yùn)行［2］。

1　工程概況

山西中南部鐵路通道工程西起山西省呂梁市興縣，東至山東省日照港，是連接我國(guó)東西部的重要煤炭資源運(yùn)輸通道，也是我國(guó)第一條按30 t重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路。該項(xiàng)目正線長(zhǎng)1 259. 57 km，主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)、雙線電氣化、行車速度120 km/h、重載鐵路。項(xiàng)目大部分跨公路、鐵路及黃河特大橋均采用了下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)，橋梁跨度大、跨數(shù)多、主桁寬，妥善解決此類橋梁建造后期的檢查、涂裝以及投入運(yùn)營(yíng)以后的檢修十分必要。因此，設(shè)計(jì)適用于山西中南部鐵路通道的鐵路鋼桁梁橋維修設(shè)備方案意義重大。

2現(xiàn)有幾種橋梁維修設(shè)備比較分析

橋梁維修設(shè)備是一種可以為橋梁檢測(cè)維修人員提供作業(yè)平臺(tái)的專用設(shè)備，利用橋梁維修設(shè)備進(jìn)行橋梁除銹、涂漆以及相關(guān)檢測(cè)，能大幅提高工作效率，保證人員施工安全。鐵路橋梁維修設(shè)備在滿足維修范圍要求的同時(shí)，應(yīng)具有足夠的空間保證人員工作，且方便操作；此外，如果考慮到高速客運(yùn)專線帶來的橋梁振動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)影響以及接觸網(wǎng)高壓電等因素，維修設(shè)備在設(shè)計(jì)上就應(yīng)具有較高的安全可靠性，還應(yīng)采用必要的防電保護(hù)措施?，F(xiàn)對(duì)幾種維修車形式和適用條件作如下分析。

2. 1路面行駛橋梁檢測(cè)車

國(guó)外橋梁檢測(cè)車在形式上通常是一種可以為橋梁檢測(cè)維修人員在工作過程中提供作業(yè)平臺(tái)的專用汽車［3］。作業(yè)平臺(tái)裝備在汽車底盤上，可以隨時(shí)移動(dòng)位置，能安全、快速、高效地讓作業(yè)人員進(jìn)入作業(yè)位置（見圖1）。

圖1　HYDRA公司剪臂式搭架

這種橋梁檢測(cè)車最早出現(xiàn)在歐美，用于橋梁流動(dòng)檢測(cè)或維修作業(yè)，技術(shù)含量很高。目前，國(guó)內(nèi)也有相當(dāng)程度的發(fā)展，徐工集團(tuán)和湖南寶龍都已擁有其自主研發(fā)的產(chǎn)品［4］。此種維修設(shè)備能很好地適應(yīng)公路橋梁和少數(shù)鐵路橋梁的維修工作，是因?yàn)槠渚S護(hù)過程需要設(shè)備沿路面行駛，將主檢測(cè)設(shè)備下放至橋面下方一定范圍作業(yè)。而我國(guó)鐵路絕大部分橋梁的建筑限界以外并無行駛空間，因此該類維修設(shè)備使用較少。加之我國(guó)鐵路運(yùn)行環(huán)境繁忙，不允許長(zhǎng)期占用線路施工，也限制著該維修設(shè)備的使用。

2. 2主桁下弦維修車

顧名思義，此種維修車就是通過在鋼梁橋主桁下部搭建軌道并懸掛走行桁架，利用伸縮臂上的作業(yè)平臺(tái)承載維修人員及設(shè)備對(duì)主桁進(jìn)行維護(hù)的設(shè)備。著名的歐雷松德大橋正是采用這種形式的專用維修設(shè)備，見圖2（a）。

該維修車主要由安裝在大橋底面的2根軌道、主桁架、走行系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)裝置、兩端折疊式液壓伸縮平臺(tái)、控制系統(tǒng)等組成。采用電子液壓控制，通過裝在維修車兩端的折疊式伸縮平臺(tái)，搭載維修人員對(duì)大橋各個(gè)部分進(jìn)行維護(hù)工作。其中，主桁架可以旋轉(zhuǎn)并從橋墩開口處穿越（如圖2（b）所示），提高了維修車的利用率。

圖2　歐雷松德橋梁維修車

歐雷松德大橋采用此種維修方式，是其橋梁自身結(jié)構(gòu)所決定的。歐雷松德大橋全長(zhǎng)16 km，主桁中心距較小且等截面，維修范圍不大，維修設(shè)備易于小型化設(shè)計(jì)；除此之外，每一處橋墩設(shè)計(jì)有較大開口，能使維修車轉(zhuǎn)向后直接穿越，為減少維修車數(shù)量提供了可能。此種維修方案，能使同一維修設(shè)備在全橋范圍內(nèi)自由行進(jìn)和維修，極大地降低了設(shè)備成本。而本文針對(duì)橋梁多為大跨度簡(jiǎn)支、連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，且橋墩部位無特殊處理亦即不便于維修設(shè)備實(shí)現(xiàn)過跨行走，因此跨間采用此種維修方式無疑增加了設(shè)備成本。

2. 3上弦桿獨(dú)立行走維修車

如圖3所示，澳大利亞悉尼大橋采用兩維修小車獨(dú)立在主桁上弦桿上行走的方式對(duì)鋼橋進(jìn)行維修。小車兩側(cè)裝有維修吊籃，可下放到主桁兩側(cè)對(duì)主桁、立柱、斜桿等邊桁進(jìn)行維護(hù)。維修車主體由小車架、走行系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、兩側(cè)維修平臺(tái)、控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠滿足悉尼大橋的日常維修工作。

圖3　悉尼橋維修車

悉尼大橋的特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)維修設(shè)備的過拱爬行，維修難度較大，為此維修小車必須在主桁上保持相對(duì)穩(wěn)定，因此較以往維修車設(shè)計(jì)，采用了齒式的走行機(jī)構(gòu)，同時(shí)省略了上平聯(lián)結(jié)構(gòu)的維修工作，使兩側(cè)小車獨(dú)立行走。如此可減小設(shè)備自重，提高施工的靈活性。另一方面，因維修車行進(jìn)中桁高的不斷變化，側(cè)面桁架的維修工作主要由吊籃完成，減輕了設(shè)備的偏載，也可自由選擇維修范圍。

過拱爬行和桁高變化的橋梁特點(diǎn)決定了悉尼橋維修設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)方式。然而本文針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)并無上述復(fù)雜特點(diǎn)，齒式走行機(jī)構(gòu)會(huì)增加設(shè)計(jì)難度，同時(shí)高速列車行駛過程對(duì)工作吊籃結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊影響，容易與帶電接觸網(wǎng)發(fā)生接觸，造成安全隱患。

2. 4側(cè)面走行維修車

圖4所示公鐵兩用橋的維修采用此種設(shè)備，可以完成公路橋面下部結(jié)構(gòu)和全部側(cè)翼鋼桁梁結(jié)構(gòu)的維修，若添置合適的下弦維修車完成鐵路橋面下方的維修工作，即可對(duì)全橋?qū)崿F(xiàn)維修。其上的公路橋面阻礙了在鋼梁平聯(lián)上部架設(shè)維修設(shè)備，因此該套維修設(shè)備對(duì)公路橋面下方的檢測(cè)只能從側(cè)翼進(jìn)入。此結(jié)構(gòu)側(cè)面維修車形式與國(guó)內(nèi)天興洲公鐵兩用大橋維修設(shè)備十分相似。

然而該方案維修過程需要長(zhǎng)時(shí)間占用鐵路線路，在我國(guó)繁忙的鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境中，此種作業(yè)方式顯然是不合時(shí)宜的。

圖4　日本巖黑島瀨戶大橋維修車

3山西中南部鐵路通道鋼梁維修設(shè)備

3. 1維修技術(shù)難點(diǎn)

隨著我國(guó)鐵路特別是電氣化鐵路的發(fā)展，我國(guó)鐵路橋梁形式也日趨標(biāo)準(zhǔn)化。山西中南部鐵路通道橋群多為下承式鐵路鋼桁梁結(jié)構(gòu)，僅在桁高、桁寬等重要參數(shù)上存有差異，這也為該類型橋梁維修設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化制定提供了基礎(chǔ)［5］。此類鋼梁橋維修設(shè)備方案設(shè)計(jì)具有以下技術(shù)難點(diǎn)。

1）鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境繁忙，橋梁維修作業(yè)不能占用線路，影響行車安全。

2）橋梁主體為桁架結(jié)構(gòu)，布置緊湊，除線路自身所需運(yùn)營(yíng)空間，建筑限界以外至鋼梁處留存空間狹小，維修設(shè)備安置困難。

3）本項(xiàng)目橋梁均為整體式鋼梁結(jié)構(gòu)，維修作業(yè)要求涵蓋整個(gè)鋼梁表面。其主桁寬度分為11. 5，12. 8 m兩類，桁高變化范圍11. 5～16 m，檢修范圍較大，維修設(shè)備應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于制造加工和后期維護(hù)。

4）鋼梁眉桿下方設(shè)有鐵路高壓帶電接觸網(wǎng)，電壓值為27. 5 kV，列車時(shí)速120 km/h，維修設(shè)備必須考慮防電安全。

5）環(huán)境最大風(fēng)速35 m/s，維修設(shè)備須具備可靠的防風(fēng)裝置。

3. 2方案設(shè)計(jì)

對(duì)比現(xiàn)有橋梁維修設(shè)備形式和本項(xiàng)目具體橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及檢修要求，維修設(shè)備設(shè)計(jì)采用上、下弦獨(dú)立維修方案，即于鋼梁主桁上下弦桿處鋪設(shè)軌道，使維修設(shè)備主桁架架設(shè)在鋼梁之外，不占用線路，以在線路運(yùn)營(yíng)的同時(shí)完成全部鋼梁表面的檢查維修工作。

如圖5所示，本項(xiàng)目上弦維修設(shè)備主要由側(cè)面檢修吊籠（1）、走行梁（2）、主桁架（3）、活動(dòng)檢修小車（4）、活動(dòng)吊籠（5）、防電板（6）等部件構(gòu)成。主桁架分三段組合用于支承設(shè)備主體并連接各功能部件；主桁架兩側(cè)底部走行梁可以使設(shè)備在上弦桿軌道上同步行走，僅一臺(tái)設(shè)備完成全橋除下平聯(lián)外全部鋼梁結(jié)構(gòu)維修工作。其中，側(cè)面檢修吊籠緊貼橋梁主桁側(cè)翼，工作時(shí)其上的翻板結(jié)構(gòu)下放，可使工作人員輕松接近側(cè)面鋼梁工作，另一方面，中部的活動(dòng)檢修小車可沿主桁架任意移動(dòng)，將其上的活動(dòng)吊籠下放至鋼梁上平聯(lián)下方，完成整個(gè)上平聯(lián)結(jié)構(gòu)的檢查維修工作。同時(shí)，為了保證施工安全，活動(dòng)吊籠下方設(shè)置有防電裝置，可增加活動(dòng)吊籠下放的距離，從而增大設(shè)備檢修范圍。

圖5　山西中南部鐵路通道鋼梁橋設(shè)備上弦維修設(shè)備

圖6　山西中南部鐵路通道鋼梁橋下弦維修設(shè)備

本項(xiàng)目下弦維修設(shè)備（如圖6）參考?xì)W雷松德大橋維修車形式，但因僅需檢修鋼梁下平聯(lián)且過跨行走，故下弦車省略了側(cè)翼的活動(dòng)工作平臺(tái)及其控制設(shè)備，同時(shí)取消了旋轉(zhuǎn)裝置，使整個(gè)設(shè)計(jì)大幅簡(jiǎn)化，大幅縮減了設(shè)備成本。

考慮風(fēng)力影響因素，維修設(shè)備走行梁設(shè)有專用防風(fēng)裝置，當(dāng)維修設(shè)備完成工作時(shí)，可將設(shè)備主體與軌道托架固定在一起，避免設(shè)備掉道影響行車安全（見圖7）。

上述方案能夠滿足本項(xiàng)目所有下承式鋼梁橋的維修工作，通過上下弦維修設(shè)備配合使用，其工作范圍能夠覆蓋全部鋼梁結(jié)構(gòu)表面，同時(shí)操作簡(jiǎn)單且安全可靠。更重要的是全部維修設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，縮減了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了互換性，便于生產(chǎn)和安裝，極大地降低了設(shè)備成本。

3. 3主要部件計(jì)算

本項(xiàng)目維修設(shè)備主桁架是承載的關(guān)鍵部件，將直接影響設(shè)備的整體性能，并關(guān)系其他部件參數(shù)選取。新型維修車主桁結(jié)構(gòu)采用角鋼栓焊而成，傳力模式清晰簡(jiǎn)單?？紤]中間吊籃、側(cè)面工作平臺(tái)自重、人工荷載、風(fēng)荷載等外部荷載，安裝過程中最不利受力情況，利用有限元軟件建立模型，進(jìn)行危險(xiǎn)工況下的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析。主桁架應(yīng)力分布見圖8。

圖7　防風(fēng)裝置

圖8　主桁架應(yīng)力分布

通過上述計(jì)算可知，主桁架結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力30 MPa，最大壓應(yīng)力18. 5 MPa，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》Q235b鋼材壁厚或直徑≤16 mm時(shí)，抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa，其值均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；跨中豎向最大撓度為2. 1 mm，撓度值＜L/400 = 14. 2 /400 = 35. 5 mm；屈曲分析，一階失穩(wěn)模態(tài)臨界荷載系數(shù)為8，大于規(guī)范要求值。因此該新型維修車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求，且具有較大的安全儲(chǔ)備。

4　結(jié)語

為保證我國(guó)鐵路現(xiàn)代化建設(shè)的順利進(jìn)行，鐵路橋梁的日常預(yù)防性檢測(cè)和維修工作已成為當(dāng)務(wù)之急。山西中南部鐵路通道鋼桁梁橋維修設(shè)備方案是針對(duì)其橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工要求作出的合理設(shè)計(jì)，經(jīng)過諸多單位多年的努力，全部維修設(shè)備安裝已順利完成并投入使用，各項(xiàng)功能指標(biāo)均達(dá)到使用要求。

以上分析對(duì)鐵路下承式鋼梁橋檢修設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用，通過后期橋梁維護(hù)工作不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)，確保施工安全，降低施工成本，使該方案逐步完善，對(duì)促進(jìn)橋梁維護(hù)技術(shù)的發(fā)展意義重大。

參考文獻(xiàn)

［1］沈春林.鐵路橋梁檢測(cè)車防傾覆穩(wěn)定性校核［J］.鐵道建筑，2009（1）：46-49.

［2］項(xiàng)海帆，吳定俊.我國(guó)鐵路橋梁的現(xiàn)狀和展望［J］.鐵道建筑技術(shù)，2001（2）：1-5.

［3］崔文毅，潘夏表.橋梁檢測(cè)車在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2006（12）：42-44.

［4］龔棟梁.國(guó)內(nèi)外橋梁檢測(cè)車發(fā)展概述［J］.商用汽車，2009 （6）：100-102.

［5］高宗余，方秦漢.中國(guó)鐵路橋梁技術(shù)發(fā)展與展望［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007（1）：55-59.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Design for Maintenance and Repair Equipment Scheme of Steel Truss Bridges on Shanxi Central South Railway Thoroughfare

LIU Xiaozheng
（Scientific & Technical Research Institute，Xi'an Railway Administration，Xi'an Shaanxi 710054，China）

AbstractT he rapid development of railway construction demands better management，inspection，maintenance，heavy repair and reinforcement and technical verification of railway bridges. In particular，the extra-large and special shaped railway bridges and the bridges on electrified railway lines require dedicated maintenance equipment. An integrated maintenance equipment plan was proposed for the group of steel truss bridges on Shanxi Central South Railway and based on their common structure and maintenance requirements. T he difficulties in repair and maintenance of the bridges on this line were addressed through the comparison of their maintenance equipment. T he factors including operation scope，security，operability and cost control were considered. Calculation of the key components was suggested.

Key wordsRailway bridge；M aintenance equipment；M aintenance vehicle；Scheme design

中圖分類號(hào)U445. 7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 03

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0011-05

收稿日期：2016-05-10；修回日期：2016-05-20

作者簡(jiǎn)介：劉小正（1962—），男，高級(jí)工程師。