既有鐵路橋梁重載改造技術(shù)研究與應(yīng)用

高 勛，牛 斌

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國的重載運(yùn)輸始于1984年，在京秦線等線路上試驗(yàn)開行組合式重載列車。在取得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國第一條開行重載單元貨物列車的雙線電氣化鐵路大秦線于1988年完成一期工程后通車。大秦線全長653 km，在近20年的發(fā)展過程中，先后開行了軸重21 t、牽引重量4 000 t，5 000 t，6 000 t和10 000 t的貨物列車。2005年，鐵道部決定在大秦線開行2萬t長大重載列車，軸重提高至25 t，列車編組數(shù)量由120輛增加到240輛。2008年大秦線年運(yùn)量達(dá)300 Mt，2009年運(yùn)量達(dá)340 Mt。2010年運(yùn)量接近400 Mt。

1 既有線橋梁開行重載列車適應(yīng)性分析

根據(jù)鐵科院前期完成的“25 t軸重作用下既有中—活載中小跨度混凝土橋梁疲勞壽命評(píng)估”及在大秦、大包、包蘭等線路開展的相關(guān)試驗(yàn)，我國既有鐵路橋梁基本具備開行軸重25 t重載列車的條件。目前，除大秦線外，實(shí)施重載改造的既有線橋涵多以中小跨度混凝土結(jié)構(gòu)為主，建設(shè)年代久、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致，部分20世紀(jì)20年代修建的梁部結(jié)構(gòu)仍在使用，且存在石砌墩臺(tái)承載力差、木樁基礎(chǔ)承載能力不詳?shù)葐栴}。近期，隨著C80萬t重載列車的開行，加劇了橋梁等工務(wù)設(shè)備病害的發(fā)展，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用逐年上升。同時(shí)，對(duì)于中小跨度橋梁，由于列車通過時(shí)的疲勞次數(shù)急劇增加，其疲勞問題不容忽視。

1.1 橋梁靜力承載性能

我國既有鐵路橋涵的設(shè)計(jì)活載均采用“中—活載”。理論計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于跨度50 m及以下的常用跨度結(jié)構(gòu)，開行軸重25 t重載貨車后，運(yùn)營活載的靜力效應(yīng)較普通21 t貨物列車增大約8% ～25%，其中部分小跨度橋梁運(yùn)營活載的靜力效應(yīng)接近或達(dá)到設(shè)計(jì)活載(圖1)。同時(shí)，新研制的大功率重載牽引機(jī)車的靜活載效應(yīng)小于既有DF8B機(jī)車?？紤]到我國現(xiàn)行“設(shè)計(jì)規(guī)范”中橋梁的設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)偏于安全，因此，采用“中-活載”設(shè)計(jì)的橋涵在承載能力方面基本可以滿足開行軸重25 t重載列車的要求。

圖1 C62M、C80貨車跨中運(yùn)營活載效應(yīng)與設(shè)計(jì)活載效應(yīng)對(duì)比

1.2 橋涵動(dòng)力效應(yīng)

由于C80系列貨車的動(dòng)力性能有所改善，重載列車作用下橋梁動(dòng)力效應(yīng)存在的主要問題與普通客貨共線鐵路提速后的狀態(tài)大體類似，主要表現(xiàn)在以下方面:①跨度20 m及以下雙片式混凝土并置梁無橫向聯(lián)系，橫向自振頻率較低，梁體振幅偏大;②部分橋墩橫向剛度偏弱，橫向自振頻率偏低，振幅偏大;個(gè)別高墩橫向振幅超過安全限值;③采用橡膠支座的橋梁橫向限位能力弱，梁體橫向出現(xiàn)整體平動(dòng);④小跨度橋涵填土厚度不足，沖擊系數(shù)偏大;⑤跨度32 m、24 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的橫向聯(lián)結(jié)偏弱，橫隔板斷裂現(xiàn)象十分嚴(yán)重;⑥單線中高圓形橋墩橫向自振頻率偏低，振幅偏大，超過《橋檢規(guī)》通常值。

1.3 小跨度橋涵的疲勞效應(yīng)

以C80貨車通過橋梁為例(圖2和圖3)，對(duì)于中等跨度以上的橋梁，每節(jié)列車通過時(shí)梁部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力峰值的循環(huán)次數(shù)較少;而對(duì)于小跨度橋梁，每節(jié)列車通過時(shí)梁部結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生一次應(yīng)力循環(huán)，因此梁部結(jié)構(gòu)的疲勞損傷急劇增加。因此，小跨度橋梁的疲勞問題是橋涵結(jié)構(gòu)能否滿足重載運(yùn)輸要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖2 跨度12 m和8 m橋梁C80列車加載示意

圖3 跨度4 m橋梁C80列車加載示意

2 既有線橋梁重載加固改造對(duì)策

2.1 跨度20 m及以下并置梁加固方案

研究提出了5種加固方案，各方案中以加強(qiáng)梁端聯(lián)結(jié)為主，同時(shí)考慮梁的整體工作性能，對(duì)新增橫隔板的位置、數(shù)量和厚度進(jìn)行了計(jì)算分析比較，以便于優(yōu)化選擇。原梁及加固后的橫隔板布置示意如圖4，圖4中1為原梁端連接，2和3為原梁肋板，a，b，c為新增橫隔板的位置。由于梁端腹板厚度超過80 cm，無法鉆孔設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋，故采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(a位置)，中間新增橫隔板均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(b、c位置)。5種加固方案橫隔板的具體尺寸見表1。

對(duì)5種加固方案的加固效果進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果(表2)表明，提出的5種加固措施，對(duì)專橋(89)2032跨度20 m并置梁，一階、二階橫向及扭轉(zhuǎn)自振頻率分別比原梁提高了10.1% ～14.3%、3.7%～8.8%和9.5% ～14.3%，一階豎向頻率僅降低0.22%～0.67%?？紤]到低高度梁的斜彎曲效應(yīng)比普通高度梁大，為了能同時(shí)消除并置梁跨中振動(dòng)相位差及斜彎曲的不利影響，最終選擇加固方案5進(jìn)行實(shí)橋的加固試驗(yàn)。

圖4 原梁及加固后的橫隔板布置示意

表1 20 m并置梁橫向加固橫隔板擴(kuò)大方案

表2 20 m并置梁原梁及加固后結(jié)構(gòu)頻率計(jì)算結(jié)果 Hz

2.2 跨度32 m簡支梁墩加固方案

考慮既有橋梁的承載能力及重載運(yùn)輸要求，加固應(yīng)盡可能減少新增結(jié)構(gòu)的重量，并使新增重量盡量靠近梁端，以減少恒載彎矩增加，在此基礎(chǔ)上提出了4種加固方案，各方案以加強(qiáng)梁端聯(lián)結(jié)為主，同時(shí)對(duì)原梁的9個(gè)橫隔板進(jìn)行加強(qiáng)，并在跨中區(qū)段面板下增設(shè)水平聯(lián)結(jié)板以改善橋面的整體性(圖5)。

方案1:梁端橫隔板加厚至0.9 m、與其相鄰的2個(gè)橫隔板上下增加長度0.43 m、厚度0.2 m的水平板;在梁端腹板擴(kuò)大的前部增加長度 1.35 m、厚度0.25 m的水平聯(lián)結(jié)板;在跨中三個(gè)橫隔板橋面板下增設(shè)長度0.9 m、平均厚度0.24 m的水平板;

方案2:水平聯(lián)結(jié)板改為上、下兩塊0.2 m厚 ×0.4 m長的板，其余和方案1相同;

圖5 32 m梁加固后橫隔板布置示意

方案3:未加梁端橫向聯(lián)結(jié)，其余和方案2相同;

方案4:梁端橫隔板加厚至0.9 m、與其相鄰的2個(gè)橫隔板上下增加長度0.4 m、厚度0.2 m的水平板;在梁端腹板擴(kuò)大的前部增加長度1.1 m、厚度0.3 m的水平聯(lián)結(jié)板;在跨中三個(gè)橫隔板橋面板下增設(shè)長度0.9 m、平均厚度0.24 m的水平板。

計(jì)算結(jié)果(表3)表明，提出的4種加固措施，對(duì)跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的橫向剛度均有提高，一階、二階橫向及扭轉(zhuǎn)自振頻率分別比原梁提高了6.9%～19.7%、5.8% ～25.6%和 4.7% ～15.0%，一階豎向頻率僅降低0.76% ～0.83%。4種加固方案中，方案4的加固效果最好。

表3 32 m簡支梁原梁及加固后結(jié)構(gòu)頻率計(jì)算結(jié)果Hz

由于加固中新增加了恒載重量，根據(jù)各加固方案，對(duì)跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了抗裂性驗(yàn)算。經(jīng)過驗(yàn)算，按現(xiàn)行“橋規(guī)”在既有25 t軸重荷載下，加固后的跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁(直、曲線)的抗裂安全系數(shù)＞1.2，其承載能力可滿足使用要求。

2.3 圓形中高墩加固方案

根據(jù)大秦線的實(shí)測(cè)結(jié)果，上行和下行線(輕、重車線)墩高在17.6～21.6 m之間的橋墩墩頂橫向振幅普遍超過“橋檢規(guī)”通常值的要求，最大超出1.47 mm，是相應(yīng)通常值的2.05倍。墩高在21.6～24.6 m之間的橋墩，部分橋墩墩頂?shù)臋M向振幅也超過“橋檢規(guī)”通常值，橋墩橫向自振頻率大部分不能滿足“橋檢規(guī)”通常值的要求。墩高在31.1～34.1 m之間的橋墩，墩頂橫向振幅基本能滿足“橋檢規(guī)”通常值的要求。為保證運(yùn)營安全，對(duì)墩高在12.0～28.0 m之間的橋墩均采取提高橫向剛度的加固措施。

1)上行和下行線并行、兩個(gè)橋墩較近時(shí)，主要采用連接兩個(gè)橋墩的托盤和墩帽方法，使其成為框架結(jié)構(gòu)，該條件下共提出4種方案，具體加固方案如下:兩橋墩托盤和頂帽處自上向下連接0.6 m(方案1);兩橋墩托盤和頂帽全部連接(方案2);方案1+基礎(chǔ)連接(方案3);方案2+基礎(chǔ)連接(方案4)。

2)單線橋墩時(shí)，主要采用擴(kuò)大橋墩截面尺寸的方法，共提出14種加固方案，具體加固方案如下:墩身上部加厚0.2 m(方案5);墩身上部和下部均加厚0.2 m(方案6);墩身加厚成圓錐體，分為底緣加厚1.0 m和1.5 m，加固高度分別為0.3，0.5，0.6倍墩身高度共6種方案(方案7～方案12);墩身橫向加厚成部分圓錐體形，寬度與墩身直徑一致，分為底緣加厚1.0 m和1.5 m，高度分別為0.3，0.5，0.6倍墩身高度共6種方案(方案13～方案18)。

對(duì)于雙線橋墩，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果(表4)，采用加固方案1和方案2時(shí)，橋墩橫向自振頻率分別提高了63.7%，67.5%，58.6%和 66.6%，70.7%，61.1%?？紤]到加固方案3、方案4采用全部連接比部分連接的連接方案效果僅提高約5%，因此設(shè)置基礎(chǔ)連接的效果并不明顯。最終選擇加固方案2作為此類橋墩橫向加固的實(shí)施方案。

對(duì)于單線橋墩，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，最終建議采用加固方案9和加固方案15，加固后橋墩的橫向自振頻率分別提高了71.4%和75.8%，橋墩橫向剛度的增強(qiáng)與形成框架結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)，具體方案為橋墩下部加厚1.0 m，加固范圍為0.6倍墩身高度。檢算結(jié)果表明，橋墩的地基承載力可滿足要求。

表4 雙線橋墩加固前后自振頻率計(jì)算結(jié)果 Hz

2.4 加固效果的試驗(yàn)驗(yàn)證

1)低高度并置梁加固效果

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，加固后梁體橫向自振頻率提高約20%，豎向自振頻率降低約1%，與理論計(jì)算基本一致。列車通過時(shí)，梁體跨中橫向振幅減小幅度約50%，梁端橫向振幅減小約40%，振幅均＜0.6 mm，梁體的橫向加固效果良好。

2)跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁加固效果

實(shí)測(cè)加固后梁體跨中橫向振幅減小約30%，梁端橫向振幅減小約40%，滿足“橋檢規(guī)”通常值要求，加固效果良好。實(shí)測(cè)梁體豎向自振頻率僅降低約1%，加固后雖然梁體的結(jié)構(gòu)重量有所增加，但對(duì)梁體豎向動(dòng)力特性影響不大。

3)圓形中高墩加固效果

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，加固后橋墩橫向自振頻率在2.43～2.69 Hz，比加固前橋墩的橫向自振頻率提高約60%～70%，增加幅度與理論計(jì)算值基本一致。加固后實(shí)測(cè)墩頂橫向振幅最大為1.81 mm，減小幅度約50%。加固后橋墩的橫向剛度得到明顯改善，橋墩的橫向自振頻率和墩頂橫向振幅均滿足“橋檢規(guī)”通常值的要求。

2.5 中小跨度橋梁的疲勞試驗(yàn)研究

為模擬C80貨車及其動(dòng)力效應(yīng)，對(duì)大秦線一片跨度8 m鋼筋混凝土梁進(jìn)行了室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，疲勞次數(shù)達(dá)20，256，300次，并進(jìn)行了連續(xù)不中斷疲勞的1 000萬次疲勞循環(huán)。其間先后共進(jìn)行7次靜載試驗(yàn)，以獲取在疲勞試驗(yàn)不同階段橋梁的性能數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，梁體混凝土梁和下緣鋼筋工作正常，未發(fā)現(xiàn)明顯新增裂紋，已有裂紋也沒有明顯擴(kuò)展。

鋼筋疲勞試件是從大秦線實(shí)際運(yùn)營的混凝土梁中鑿取出來的。試件工作段長度840 mm。疲勞試驗(yàn)最小噸位取10 kN，進(jìn)行拉—拉循環(huán)加載。試驗(yàn)應(yīng)力比為0.06～0.10。共進(jìn)行了10根試件的疲勞試驗(yàn)，以得到鋼筋的S—N曲線(圖6)。8 m鋼筋混凝土梁下緣鋼筋疲勞參數(shù)比較見表5。

圖6 鋼筋疲勞試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，鋼筋的疲勞試驗(yàn)回歸曲線方程為

其中，Δσ =201.1 MPa，相關(guān)系數(shù) r=0.915 6，均方差s=0.148 1，取97.7%保證率，回歸曲線下限為

其中，疲勞應(yīng)力幅Δσ=174.7 MPa。

用疲勞最大應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得97.7%保證率的疲勞回歸曲線下限為

其中，疲勞最大應(yīng)力幅 Δσ=195.5 MPa。

表5 8 m鋼筋混凝土梁下緣鋼筋疲勞參數(shù)比較

疲勞損傷分析表明，在良好的養(yǎng)護(hù)維修狀態(tài)下，大秦線8 m低高度鋼筋混凝土梁疲勞性能能夠滿足年運(yùn)量200 Mt的運(yùn)營需要。對(duì)于年運(yùn)量400 Mt條件，如果采用相同的2萬t編組C80列車，按照目前橋梁狀態(tài)，橋梁能夠滿足設(shè)計(jì)使用的要求。

3 存在的問題與研究展望

目前，針對(duì)大秦線橋梁重載加固改造的工作已經(jīng)全面展開，并按計(jì)劃逐年實(shí)施，但在工作中遇到了許多新問題，主要包括:①上行和下行線錯(cuò)位較大橋墩的橫向加固方法;②墩高超過40 m橋墩在重載列車作用下橫向晃動(dòng)劇烈的機(jī)理及對(duì)策;③重載改造后橋梁的長期性能與合理的養(yǎng)護(hù)維修周期。大力開發(fā)橋梁等工務(wù)設(shè)備的長期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來重載技術(shù)的發(fā)展方向之一。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］鐵道科學(xué)研究院.鐵道混凝土橋梁的病害與修補(bǔ)加固［C］//2003橋梁病害診治論壇.北京:鐵道科學(xué)研究院，2003.

［3］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).GB50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑出版社，1991.

［4］中國鐵道科學(xué)研究院.大秦線年運(yùn)量2億噸條件下橋梁結(jié)構(gòu)加固和壽命評(píng)估試驗(yàn)研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

［5］李承君，馬林.既有重載鐵路墩梁加固分析［J］.鐵道建筑，2010(10):22-25.