既有重載鐵路墩梁加固分析

李承君，馬 林

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

大秦鐵路是我國(guó)第一條重載鐵路和雙電氣化運(yùn)煤專(zhuān)用線。自 1988年開(kāi)通以來(lái)，先后開(kāi)行了4 000 t、5 000 t、6 000 t、9 500 t和11 000 t的 貨 物 列 車(chē)。 為 適應(yīng)鐵路跨越式發(fā)展，自2005年開(kāi)始，大秦線開(kāi)行了2萬(wàn)t長(zhǎng)大重載列車(chē)，隨后每年以50 Mt的運(yùn)量遞增，2008年年運(yùn)量達(dá)到340 Mt。列車(chē)編組形式為萬(wàn)噸單元列車(chē)和2萬(wàn)t組合列車(chē)并存，軸重由21 t提高到25 t，列車(chē)編組數(shù)量最大增加到240輛，主要車(chē)型逐步過(guò)渡為 C80。

通過(guò)對(duì)既有線路及橋梁綜合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在2萬(wàn)t列車(chē)運(yùn)行條件下，橋梁和橋墩的主要問(wèn)題在于:跨度20 m及以下雙片式并置梁由于兩片梁僅在梁端處有橫隔板連接，中間無(wú)橫向連接，橫向剛度和穩(wěn)定性不足，橫向自振頻率較低，不能滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》)的要求;跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁的橫向連接不足，高墩條件下橫向振幅超過(guò)《橋檢規(guī)》安全限值，兩片梁存在較大撓度差，梁體共同作用不良;單線中高圓形橋墩橫向自振頻率偏低，振幅偏大，超過(guò)《橋檢規(guī)》通常值。為保證列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全，有必要對(duì)橋梁、橋墩進(jìn)行加固，提高其橫向剛度。

1 加固總體思路

振動(dòng)系統(tǒng)的頻率值只與結(jié)構(gòu)本身的固有特性如結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布、組成形式、剛度、支承情況和材料性質(zhì)等有關(guān)，而與其所受荷載等其它條件無(wú)關(guān)。由于既有結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)和截面形式都不能改變，可以考慮通過(guò)加強(qiáng)梁的橫向連接或加強(qiáng)對(duì)梁體的約束等方式來(lái)增大梁的固有頻率。根據(jù)以往鐵路混凝土簡(jiǎn)支梁提速加固的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)兩片梁之間的橫向連接可有效地提高梁體橫向剛度。對(duì)于橋墩也可以采取增大橋墩橫截面尺寸或?qū)ι?、下行線并行橋墩進(jìn)行連接的加固方法。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況，梁的加固應(yīng)遵循以下原則:控制新增聯(lián)結(jié)系的重量，并優(yōu)先設(shè)置在梁端附近，避免加固后梁跨中恒載彎矩增加過(guò)多;新增連接的位置盡量避開(kāi)原梁預(yù)應(yīng)力鋼束密集區(qū)域。橋墩的加固在保證加固效果時(shí)，應(yīng)盡量減少新增混凝土的重量，以減小對(duì)地基的影響。加固方案的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮施工的可行性并盡量減少加固后養(yǎng)護(hù)維修的工作量。

2 梁的加固

結(jié)構(gòu)固有頻率的計(jì)算從數(shù)學(xué)角度上說(shuō)屬于求特征值問(wèn)題。為模擬梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布和支承狀態(tài)，在有限元分析時(shí)建立實(shí)體模型進(jìn)行模態(tài)分析，用分塊蘭索斯法進(jìn)行模態(tài)提取，避免由于模型中含有形狀較差的單元而引起的不收斂問(wèn)題。

建立梁模型時(shí)不考慮橋面鋪裝及道砟對(duì)梁體幾何尺寸的影響，僅將其作用等效為均布荷載加在道砟槽板內(nèi)，即增大道砟槽板的密度;由于原梁的橫隔板內(nèi)未設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋，其強(qiáng)度低于梁體，在模型中對(duì)其彈性模量進(jìn)行適當(dāng)折減。對(duì)簡(jiǎn)支梁采用了一端固定、一端鉸支的約束條件。計(jì)算時(shí)用定義不同的單元特性來(lái)描述梁體不同部分的彈性模量、密度等特性。

2.1 跨度20 m及以下雙片式并置梁

選取大秦線上有代表性的跨度20 m低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，圖號(hào)為專(zhuān)橋(89)2032。

加強(qiáng)兩片梁的橫向連接是提高梁體橫向剛度的有效方法。在進(jìn)行多種加固方案的計(jì)算分析并綜合考慮加固后結(jié)構(gòu)的靜剛度后，提出了5種加固方案，通過(guò)對(duì)新增橫隔板位置及厚度的調(diào)整進(jìn)行優(yōu)選。原梁及加固后橫隔板的位置見(jiàn)圖1。圖1中1～3為原梁梁端連接及肋板，a，b，c為新增橫隔板位置。各方案中橫隔板尺寸見(jiàn)表1。

圖1 20 m并置梁原梁及加固后橫隔板布置示意

表1 20 m并置梁橫向加固擴(kuò)大橫隔板方案 m

根據(jù)以上提出的加固方案，建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到原梁及不同加固方案結(jié)構(gòu)的自振頻率，由于關(guān)心的主要是結(jié)構(gòu)的低階頻率，故僅列出前三階振型的頻率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原梁及加固后結(jié)構(gòu)自振頻率 Hz

計(jì)算結(jié)果表明，各加固方案都使結(jié)構(gòu)的橫向剛度有所提高，橫向一階和扭轉(zhuǎn)一階分別提高了10.1% ～14.3%和9.5% ～14.3%，豎向一階頻率降低僅為0.22%～0.67%，梁體的橫向剛度提高較大而豎向剛度降低很小。僅就橫向剛度而言，方案4的加固效果最好，然而，由于低高度梁的斜彎曲效應(yīng)比普通高度梁要大，考慮梁體的整體工作性能，推薦使用加固方案5進(jìn)行實(shí)橋的加固試驗(yàn)。

由于加固中新增加了混凝土和鋼筋，這使得簡(jiǎn)支梁跨中預(yù)壓應(yīng)力減小，從而使結(jié)構(gòu)的抗裂性下降，需對(duì)不同加固方案下的抗裂安全系數(shù)進(jìn)行估算。原曲線梁的抗裂安全系數(shù)為1.308，下緣預(yù)壓應(yīng)力1.21 MPa;原直線梁的抗裂安全系數(shù)為1.297，下緣預(yù)壓應(yīng)力0.34 MPa。加固方案5中新增結(jié)構(gòu)使跨中下緣應(yīng)力增大0.211 MPa，曲線梁和直線梁抗裂安全系數(shù)約為1.257、1.237。

2.2 跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁

32 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土普通高度梁在大秦線上有著廣泛的應(yīng)用，占全線橋梁的比例達(dá)55%，共有三種圖號(hào):叁標(biāo)橋2019、叁標(biāo)橋2039和專(zhuān)橋2059。

選擇圖號(hào)為叁標(biāo)橋2039的梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，該梁型在32 m梁中占52%。它全長(zhǎng)32.6 m，采用T形截面，梁高2.8 m，在梁的兩端設(shè)有局部加厚區(qū)。單線線路由通過(guò)橫隔板相連的兩片梁組成，梁上包括端隔板共設(shè)9道橫隔板。

參考原200 km/h提速32 m簡(jiǎn)支梁加固的科研成果，并考慮大秦線既有梁型的承載能力及重載運(yùn)輸要求，盡可能減少新增混凝土的重量并使新增重量盡量靠近梁端，以避免跨中彎矩增加過(guò)多。在此基礎(chǔ)上提出并計(jì)算了4種加固方案，各方案均以加強(qiáng)梁端連接為主，同時(shí)對(duì)原梁的9道橫隔板進(jìn)行加強(qiáng)，并在跨中區(qū)段橋面板下增設(shè)水平板以改善橋面的整體性。

加固后的橫隔板布置見(jiàn)圖2，圖2中1#～5#為原梁橫隔板，a～e為新增橫隔板位置，同時(shí)在梁端腹板變截面處新增水平連接板。各方案中橫隔板尺寸見(jiàn)表3。

圖2 32 m梁加固后橫隔板布置示意

表3 32 m簡(jiǎn)支梁加固橫隔板擴(kuò)大方案 m

上述各方案中 b，c橫隔板的寬度和位置稍有改變，1～3方案中是和原橫隔板連在一起的，方案4中為方便施工將b，c橫隔板與原橫隔板間隔5 cm;方案3中未加梁端橫向連接板是考慮該部位只能采用普通混凝土結(jié)構(gòu)，若去掉該處連接則全梁新增連接均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);方案2、3將梁端水平板改為上、下兩塊板是考慮該處為梁端預(yù)應(yīng)力束彎起密集區(qū)域，位置擺放有一定困難。

根據(jù)以上提出的加固方案，建立有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到原梁及不同加固方案結(jié)構(gòu)的自振頻率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 32 m簡(jiǎn)支梁原梁及加固后結(jié)構(gòu)自振頻率 Hz

計(jì)算結(jié)果表明，各加固方案都使結(jié)構(gòu)的橫向剛度有所提高，橫向一階和扭轉(zhuǎn)一階分別提高了6.9% ～19.7%和4.7% ～15.0%，豎向一階頻率降低僅為0.76%～0.83%。各加固方案中方案4的加固效果最好，推薦使用該方案進(jìn)行實(shí)橋的加固試驗(yàn)。

原曲線梁的抗裂安全系數(shù)為1.238，設(shè)計(jì)活載作用下跨中下緣預(yù)壓應(yīng)力0.411 MPa;原直線梁的抗裂安全系數(shù)為1.296，設(shè)計(jì)活載作用下跨中下緣預(yù)壓應(yīng)力1.711 MPa。大秦線是運(yùn)煤專(zhuān)用線，開(kāi)行2萬(wàn)t長(zhǎng)大重載列車(chē)后，主要車(chē)型為 C80，軸重25 t，其余車(chē)型均不超過(guò)該軸重，同時(shí)線路上也無(wú)特種荷載通過(guò)，故分析加固后在25 t軸重荷載條件下結(jié)構(gòu)的抗裂性。加固方案4中新增結(jié)構(gòu)使跨中下緣應(yīng)力增大0.280 MPa，曲線梁抗裂安全系數(shù)約為1.370;直線梁抗裂安全系數(shù)約為1.456，滿足要求。

3 中高圓形墩的加固

大秦線橋墩以圓端形、圓柱形和雙柱形為主，最大墩高50 m。基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)或沉井。

根據(jù)綜合試驗(yàn)及補(bǔ)充動(dòng)載試驗(yàn)對(duì)墩高在17.6～34.1 m范圍內(nèi)的28個(gè)圓形橋墩橫向自振頻率和墩頂橫向振幅的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，墩高在17.6～24.6 m范圍內(nèi)的單線中高圓形墩橫向動(dòng)力性能較差，有必要對(duì)其進(jìn)行加固，以確保列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)。大秦線是雙線鐵路，需要根據(jù)單線橋墩的位置情況分別設(shè)計(jì)加固方案并進(jìn)行模擬計(jì)算。

根據(jù)以往的加固經(jīng)驗(yàn)，提出了以下幾類(lèi)加固方案:橋墩采用部分圓錐體加固;雙線橋墩在墩身用一定尺寸的連接板連接;將托盤(pán)頂帽和墩身同時(shí)用連接板連接。

3.1 單線

主要采用擴(kuò)大橋墩橫截面尺寸的方法，圓錐體加固可有效提高結(jié)構(gòu)剛度，由于加固的目的主要是提高橫向自振頻率，同時(shí)為避免結(jié)構(gòu)自重增加過(guò)大，考慮采用部分圓錐體進(jìn)行加固。以黎河橋21號(hào)橋墩為例設(shè)計(jì)加固方案，由于該橋?yàn)楹笃谠鲈O(shè)雙線，所以上、下行橋墩中心連線與線路中心線并不垂直。取墩全高的0.6 h進(jìn)行部分圓錐體加固，上部擴(kuò)大0.25 m，底部分別擴(kuò)大1.0 m，1.2 m，1.5 m，提出加固方案1～方案3。加固前及加固后結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 單線橋墩加固前及加固后形式

橋墩加固前、不同加固方案中結(jié)構(gòu)自振頻率見(jiàn)表5。

采用方案1能夠提供足夠的橫向剛度。

表5 單線橋墩自振頻率 Hz

3.2 上下線并行

可以采用部分圓錐體方案或連接板加固方案。部分圓錐體方案1～方案3中新增結(jié)構(gòu)物的尺寸與單線橋墩相同。加固后結(jié)構(gòu)自振頻率見(jiàn)表6。

表6 上下線并行橋墩自振頻率 Hz

連接板加固共提出以下4種方案:僅在墩身1/2高度處用矩形板連接;在墩身1/3及2/3高度處用矩形板連接;在墩身1/2高度處用啞鈴形板連接;托盤(pán)、頂帽連接同時(shí)墩身用矩形板連接。根據(jù)連接板的高度和厚度不同，共細(xì)化為10個(gè)加固方案。加固方案如圖4、表 7。

橋墩加固前、不同加固方案中結(jié)構(gòu)頻率見(jiàn)表8。

通過(guò)有限元分析可以看出:啞鈴形連接板的加固方案與矩形連接板方案相比，雖新增的混凝土重量有所減少但是對(duì)提高頻率的優(yōu)勢(shì)并不明顯。上下兩處連接橋墩方案增加了施工量但加固效果與加固方案2接近。墩身、托盤(pán)頂帽連接方案在很大程度上提高了橋墩的整體性，雖然加固后一階頻率略有降低，但是二階及以上頻率優(yōu)于其它方案，同時(shí)大大提高了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。而圓錐體加固方案雖然一階頻率提高較多，但是圓錐體模板的制作與加固部分混凝土的灌注存在較大難度，同時(shí)結(jié)構(gòu)增加混凝土重量相對(duì)較大，不能保證全橋各橋墩加固后地基承載力均小于容許承載力。

圖4 連接板加固方案示意

表7 雙線橋墩采用連接板加固方案 m

表8 雙線橋墩采用連接板加固前后頻率 Hz

4 加固效果

加固后的動(dòng)力性能試驗(yàn)表明:20 m并置梁加固后，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。跨中橫向振幅比加固前減小約50%，梁端最大橫向振幅減小約40%。測(cè)試的32 m梁由于上、下行之間的蓋板聯(lián)結(jié)作用較強(qiáng)，蓋板上道砟較厚，提高了梁體的橫向剛度，故動(dòng)力性能試驗(yàn)未給出實(shí)測(cè)值，豎向自振頻率降低約1%，跨中橫向振幅比加固前減小約30%，梁端最大橫向振幅減小約40%?？梢钥闯?，加固后梁體的整體性能有較大提高，加固效果良好。實(shí)測(cè)的橋墩屬于兩墩中心線與線路方向垂直區(qū)段，因此采用托盤(pán)和頂帽全部連接方案加固，加固后橫向自振頻率提高約60% ～70%，墩頂橫向振幅減小約50%，加固后橋墩的橫向剛度明顯改善，橋墩橫向自振頻率和墩頂橫向振幅滿足《橋檢規(guī)》的要求。

5 結(jié)論及建議

大秦線是重要的運(yùn)煤通道，為保證運(yùn)量大幅增長(zhǎng)后列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)，有必要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。本文提出的加固方案能夠滿足提高結(jié)構(gòu)剛度的要求。

在簡(jiǎn)支梁加固中，除梁端位置外，其余新增橫隔板均有橫向預(yù)應(yīng)力筋，可以保證新增結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和耐久性。對(duì)于20 m及以下并置梁，如果選用的是弧形支座或平板支座，應(yīng)增加梁端限位裝置，以消除梁端振幅過(guò)大的影響，進(jìn)一步提高梁體橫向剛度。

雙線橋墩墩帽間新增連接部分是普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為便于施工并避免長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后開(kāi)裂，可以采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，但施工難度和施工費(fèi)用會(huì)相應(yīng)增加。對(duì)于上、下行橋墩中心連線與線路中心線并不垂直的區(qū)段，采用連接板加固后，結(jié)構(gòu)的振型不再垂直或平行于線路中心線，一階頻率變化不大;若采用部分圓錐體加固，需對(duì)加固體尺寸進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足地基承載力的要求，對(duì)于這種情況，還需進(jìn)一步研究。

［1］李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1996.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］盧煒 李承君.大秦重載鐵路既有中高圓形橋墩加固方案的研究［J］.鐵道建筑，2008(4):17-19.

［4］鐵道科學(xué)研究院.大秦線年運(yùn)量2億 t條件下橋梁結(jié)構(gòu)加固和壽命評(píng)估試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.北京:鐵道科學(xué)研究院，2007.

［5］中華人民共和國(guó)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(guó)鐵道出版社，2004.