重載運(yùn)輸條件下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橫向加固方法研究

李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

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重載運(yùn)輸條件下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橫向加固方法研究

李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

隨著我國重載運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)發(fā)展，列車編組增加，車輛軸重增大，運(yùn)營密度增大，現(xiàn)役橋梁出現(xiàn)橫向振動過大危及行車安全的現(xiàn)象。本文以朔黃鐵路中比重較大的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁+雙線分離式橋墩+擴(kuò)大基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式為研究對象，采用有限元分析結(jié)合現(xiàn)場實測的方法，對增加T梁橫向聯(lián)接剛度和橋墩橫向剛度的加固效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：僅增加T梁橫向連接剛度，使橋跨結(jié)構(gòu)橫向振動得到抑制，僅增加橋墩橫向剛度，使橋跨和橋墩橫向振動均得到有效抑制，且對橋跨橫向振動抑制效果優(yōu)于增加T梁橫向連接剛度，采取同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的方法對橋跨橫向振動抑制效果最優(yōu)，對橋墩橫向振動抑制效果略優(yōu)于僅增加橋墩橫向剛度。

重載運(yùn)輸；橫向振動；橋梁加固方法；運(yùn)營性能試驗

0 引言

重載運(yùn)輸由于運(yùn)能大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)受到世界各國鐵路運(yùn)輸部門的青睞，并將成為未來鐵路貨運(yùn)發(fā)展的必然趨勢[1]。朔黃鐵路作為我國西煤東運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字化重載鐵路，年運(yùn)量已經(jīng)突破3億t，隨著2萬t擴(kuò)能改改造完成及30 t軸重列車開行，對全線橋梁結(jié)構(gòu)安全提出了更高的要求。調(diào)研發(fā)現(xiàn)現(xiàn)役橋梁除“專橋(01)2051、專橋(01)2011、朔黃橋通-18”3個圖號的梁型橫向連接含預(yù)應(yīng)力外，其余圖號梁型存在并置梁橫向連接不足，梁體受力不均等現(xiàn)象，下部分離式橋墩橫向剛度不足，隨著運(yùn)能增加、軸重增大，運(yùn)營過程中部分橋梁梁跨結(jié)構(gòu)、墩頂?shù)臋M向振幅明顯偏大，超過《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的通常值，對線路運(yùn)輸能力造成很大影響。為此本文以朔黃鐵路跨京九鐵路特大橋(150#橋)為研究對象，提出了僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度、以及同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的3種加固措施。通過有限元模擬分析，對比3種加固方法對結(jié)構(gòu)橫向振動的抑制情況，對3種加固方法進(jìn)行優(yōu)選，并結(jié)合加固前后對橋梁結(jié)構(gòu)動力性能試驗數(shù)據(jù)，對加固方法進(jìn)行再次論證分析，為今后類似橋梁病害分析及加固處理提供參考。

1 工程背景

1.1 橋梁簡介

朔黃鐵路跨京廣鐵路特大橋(150#橋)，中心里程K322+965，全橋長1 300.92 m，設(shè)計為雙線上下行分離式，孔跨樣式：(1×20 m+1×24 m+38×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，運(yùn)營過程中上行線部分孔跨出現(xiàn)跨中及墩頂橫向振幅過大，超過《橋梁檢定規(guī)范》限值的現(xiàn)象，為降低跨中及墩頂橫向幅，增加橋梁的橫向剛度，采取同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的方法對橋梁進(jìn)行加固。為驗證加固效果，選取該橋第20孔，19#、20#墩為測試對象，進(jìn)行動力性能測試，分別測試其加固前后的結(jié)構(gòu)動力特性。第20孔上部結(jié)構(gòu)為32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，19#、20#墩均為分離式矩形板式墩，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

1.2 增加T梁橫向連接剛度措施

為保證梁體橫向連接剛度，采用預(yù)應(yīng)力板對橫隔板進(jìn)行加固，具體加固措施為：梁端1#橫隔板處上下各加一塊鋼筋混凝土板，板寬1.2 m，厚0.35 m。距梁端3 m處加含4束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬1.1 m，板厚0.31 m；2#橫隔板加寬0.38 m，并在上下變截面處各加1束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋；3#、4#橫隔板梗肋處各加含4束預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬1.4 m，厚0.31 m；5#橫隔板梗肋處加含2束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋水平板，板寬1.0 m，厚0.31 m。加固前橫隔板布置如圖1(a)所示，加固后橫隔板布置圖如圖1(b)所示。

圖1 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橫隔板布置圖(單位：mm)

1.3 橋墩加固措施

圖2 加固前后橋墩正立面圖(單位：mm)

加固前橋墩為分離式矩形板式墩，如圖2(a)所示，墩身橫向?qū)挾葹?.0 m，為增加橋墩橫向剛度，采用將上下行單線矩形板式墩通過鋼筋混凝土連接為雙線矩形板式墩，加固后橋墩如圖2(b)所示。加固前先將原橋墩內(nèi)側(cè)混凝土鑿除并植入鋼筋，將加固部位鋼筋籠與植入原橋墩鋼筋進(jìn)行焊接連接，采用C30混凝土進(jìn)行澆筑。

2 有限元分析

橋梁結(jié)構(gòu)的橫向振動特性除受結(jié)構(gòu)自身剛度和質(zhì)量影響外還與外界激勵荷載有關(guān)[2-3]，對重載鐵路而言，外界激勵荷載主要為重載列車的蛇形運(yùn)動，當(dāng)重載列車的蛇形運(yùn)動頻率接近或等于結(jié)構(gòu)橫向自振頻率時，會引起共振，此時橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅最大，對行車安全最不利[4]。車輛的蛇形運(yùn)動頻率與列車行駛速度和蛇形運(yùn)動半波長有關(guān)，其計算公式為

式中，v為列車行駛速度；ls為列車蛇形運(yùn)動半波長。

2.1 有限元模型介紹

本文利用MIDAS/Civil有限元軟件分別建立了橋梁結(jié)構(gòu)加固前、僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度、及同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度等4種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的有限元計算模型，模擬計算C80重載列車以不同速度通過橋梁結(jié)構(gòu)時結(jié)構(gòu)的橫向振動特性，統(tǒng)計對比計算數(shù)據(jù)，對各方法加固效果進(jìn)行分析。加固前結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖3所示，同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度后結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖4所示。

圖3 橋梁加固前有限元計算模型圖

圖4 墩梁均加固后有限元計算模型圖

有限元計算模型中采用梁單元模擬橋墩和梁，模型中采用彈性連接模擬支座，在橋梁固定端采用約束SDx、SDy、SDz3個方向的彈性連接，在活動端采用約束SDx、SDz兩個方向的彈性連接，彈性連接剛度按盆式橡膠支座的實際特性選取。采用實體單元模擬擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用面彈性支撐約束基礎(chǔ)底面SDx、SDy、SDz方向的平動自由度，在橫隔板加固位置添加過預(yù)應(yīng)力，模擬橫隔板預(yù)應(yīng)力加固，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力為1 350 MPa。

2.2 模型計算荷載

重載列車通過橋梁結(jié)構(gòu)時對橋梁結(jié)構(gòu)的作用主要包括豎向荷載和橫向搖擺力。列車輪對橫向壓力由車輛車體、轉(zhuǎn)向架、輪對的側(cè)向水平慣性力引起，這些慣性力同時引起輪對對鋼軌的側(cè)傾力(豎向作用)[5]。鐵路橋梁動力學(xué)中通過測量得出直線橋梁上的車輪水平橫向力在10～30 kN范圍內(nèi)，均值為24 kN。就車輪橫向力對豎向力的依賴關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計分析，表明這種依賴關(guān)系是很大的，結(jié)果也確證水平橫向力Fs大約為豎向輪力F的1/3[6]。

朔黃鐵路設(shè)計時速為80 km/h，目前朔黃鐵路重載列車運(yùn)營速度大部分在55～75 km/h，為了分析加固前后列車行駛速度對橋梁結(jié)構(gòu)橫向振動的影響，有限元分析過程中，通過定義不同的時程函數(shù)模擬了C80重載列車分別以55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h通過橋梁結(jié)構(gòu)。動力分析時C80列車簡化荷載如圖5所示。

圖5 動力分析時C80列車簡化荷載圖

2.3 有限元分析結(jié)果

C80重載列車以不同速度通過橋梁結(jié)構(gòu)時，橋梁加固前、僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度以及同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩剛度四種狀態(tài)，跨中橫向振幅計算值統(tǒng)計如表1所示，跨中橫向振幅計算值與列車行駛速度關(guān)系如圖6所示。

表1 加固前后橋跨跨中橫向振幅計算值統(tǒng)計表 mm

圖6 跨中橫向振幅計算值與列車行駛速度關(guān)系圖

從表1和圖6中數(shù)據(jù)可以看出：橋梁加固前跨中C80列車通過橋梁結(jié)構(gòu)時跨中最大橫向振幅計算值為2.81 mm，超過《橋梁檢定規(guī)范》中安全限值(2.54 mm)的要求，僅增加T梁橫向連接剛度后，跨中橫向最大振幅值計算值為2.48 mm，與加固前相比降低11.7%；僅增加橋墩橫向剛度后跨中橫向振幅為2.15 mm，與加固前相比降低23.5%；采取同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度后跨中橫向振幅為1.92 mm，與加固前相比降低31.7%。與同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度相比，僅增加T梁橫向連接剛度可以達(dá)到37%的加固效果，僅增加橋墩橫向剛度可以達(dá)到74%的加固效果。

C80重載列車以不同速度通過橋梁結(jié)構(gòu)時，4種結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，墩頂橫向振幅計算值統(tǒng)計如表2所示，墩頂橫向振幅計算值與列車行駛速度關(guān)系如圖7所示。

表2 加固前后墩頂橫向振幅計算值統(tǒng)計表 mm

圖7 墩頂橫向振幅與結(jié)構(gòu)狀態(tài)關(guān)系圖

從表2和圖7中數(shù)據(jù)可以看出：橋梁加固前C80列車通過橋梁結(jié)構(gòu)時墩頂最大橫向振幅計算值為1.08 mm，超過《橋梁檢定規(guī)范》中安全限值(0.81 mm)的要求，僅增加T梁橫向連接剛度后，墩頂橫向振幅最大計算值為1.02 mm，與加固前相比降低5.6%；僅增加橋墩橫向剛度后，墩頂橫向振幅為0.74 mm，與加固前相比降低31.5%；采取同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度后，墩頂橫向振幅為0.60 mm，與加固前相比降低44.5%。與同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度相比，僅增加T梁橫向連接剛度可以達(dá)到12.5%的加固效果，僅增加橋墩橫向剛度可以達(dá)到70.8%的加固效果。

3 運(yùn)營性能試驗分析

結(jié)構(gòu)的橫向振幅直接反映結(jié)構(gòu)橫向振動特性，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中對橋梁結(jié)構(gòu)的跨中橫向振幅通常值，安全限值，墩頂橫向振幅通常值均有規(guī)定。

試驗中采用SS4+55C64列車作為試驗編組列車，分別以速度60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h和80 km/h通過橋梁結(jié)構(gòu)，測試中在跨中及墩頂位置布置動態(tài)測點(diǎn)采集列車通過時跨中及墩頂橫向振動參數(shù)，將加固前與同時增加T梁橫向連接剛度后測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中有關(guān)限值進(jìn)行對比，分析加固效果。加固前后20孔跨中橫向振幅實測值統(tǒng)計見表3所示。

表3 加固前后20孔跨中橫向振幅統(tǒng)計表 mm

由表3中數(shù)據(jù)可知，編組列車荷載作用下加固前20孔跨中橫向振幅最大值為2.96 mm，對應(yīng)列車行駛速度為70 km/h，超過《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定通常值(2.54 mm)的要求，加固后20孔跨中最大橫向振幅為1.69 mm，對應(yīng)列車行駛速度為75 km/h，與加固前相比，跨中橫向振幅減小43.1%，共振速度提高了5 km/h。加固前后19#墩、20#墩墩頂橫向振幅實測值統(tǒng)計見表4所示。

表4 加固前后墩頂橫向振幅統(tǒng)計表 mm

由表4中數(shù)據(jù)可知，編組列車荷載作用下加固前，19#墩墩頂橫向振幅最大實測值為1.21，對應(yīng)列車行駛速度為70 km/h，超過《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定安全限值(0.82 mm)的要求，加固后墩頂橫向振幅最大實測值為0.79 mm，滿足規(guī)范要求，對應(yīng)列車行駛速度為75 km/h，加固后19#墩墩頂橫向振幅降低34.7%。20#墩墩頂橫向振幅最大實測值為1.15，對應(yīng)列車行駛速度為70 km/h，超過《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定安全限值(0.77 mm)的要求，加固后墩頂橫向振幅最大實測值為0.73 mm，滿足規(guī)范要求，對應(yīng)列車行駛速度為75 km/h，加固后20#墩墩頂橫向振幅降低36.5%。

4 結(jié)論

隨著重載運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，既有重載鐵路橋梁出現(xiàn)橋跨及橋墩橫向剛度不足而導(dǎo)致橋跨橫向晃動過大，影響行車安全，本文以朔黃鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和分離式矩形板式墩為研究對象，提出僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度、同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的3種加固方法，通過有限元模擬分析3種加固方法加固效果并結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)營性能試驗數(shù)據(jù)，可得如下結(jié)論：

(1)就降低跨中橫向振幅而言，3種加固方法中，同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度加固效果最佳，增加橋墩橫向剛度的加固方法優(yōu)于采取僅增加T梁橫向連接剛度的加固方法。

(2)就控制墩頂橫向振幅而言，3種加固方法中，同時增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度加固效果略優(yōu)于增加橋墩橫向剛度的加固效果，僅增加T梁橫向連接剛度的加固方法對墩頂橫向振幅抑制效果不明顯。

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Analysis of Reinforcement Method for 32 m Prestressed Concrete T-beams Under Heavy-load Transportation

Li Baolong

(Development Co. Ltd. of Shuo-Huang Railway, Suning 062350, China)

With the sustainable development of overload transportation in our country, the increases of train formation, the increases of vehicle axle load, the increases of operating density, bridges presently in service are subject to excessive transverse vibration, which will endanger the safety of train operation. Taking the 32 m prestressed concrete T-beams plus double separated bridge pier and enlarged foundation, which is a main structure form in Shuohuang-railroad, as the research object, with the method of finite element simulation analysis and field measurement, this article studies the reinforcement effect of T-beam cross connection and pier transverse rigidity.The results show that, only increasing the stiffness of transverse connection of T beams reduces the transverse vibration of the span structure, while only reinforcing the transverse stiffness of bridge pier has a significant effect on controlling the lateral vibration of both bridge span and bridge piers, and the effect of this measure on the lateral vibration of bridge span is better than the measure to increase the lateral connection stiffness of T-beam. Compared with the previous measures, increasing T-beam transverse connection and the transverse stiffness reinforcement of bridge pier in the meantime makes the effect best, with a better effect on transverse vibration of the pier than only increasing the transverse stiffness of the pier.

heavy railway； lateral amplitude； bridge reinforcement method； operation performance experiment

2015-07-07 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.07

李保龍(1979-),男，工程師，研究方向為鐵道工程。E-mail：443732905@qq.com

U443

A

2095-0373(2016)02-0033-06

李保龍.重載運(yùn)輸條件下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橫向加固方法研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(2):33-38.