既有鐵路橋梁重載改造技術研究與應用

高 勛，牛 斌

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國的重載運輸始于1984年，在京秦線等線路上試驗開行組合式重載列車。在取得經驗的基礎上，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，列車編組數量由120輛增加到240輛。2008年大秦線年運量達300 Mt，2009年運量達340 Mt。2010年運量接近400 Mt。

1 既有線橋梁開行重載列車適應性分析

根據鐵科院前期完成的“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估”及在大秦、大包、包蘭等線路開展的相關試驗，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，實施重載改造的既有線橋涵多以中小跨度混凝土結構為主，建設年代久、設計標準不一致，部分20世紀20年代修建的梁部結構仍在使用，且存在石砌墩臺承載力差、木樁基礎承載能力不詳等問題。近期，隨著C80萬t重載列車的開行，加劇了橋梁等工務設備病害的發展，養護維修費用逐年上升。同時，對于中小跨度橋梁，由于列車通過時的疲勞次數急劇增加，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計活載均采用“中—活載”。理論計算結果表明，對于跨度50 m及以下的常用跨度結構，開行軸重25 t重載貨車后，運營活載的靜力效應較普通21 t貨物列車增大約8% ～25%，其中部分小跨度橋梁運營活載的靜力效應接近或達到設計活載(圖1)。同時，新研制的大功率重載牽引機車的靜活載效應小于既有DF8B機車。考慮到我國現行“設計規范”中橋梁的設計動力系數偏于安全，因此，采用“中-活載”設計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貨車跨中運營活載效應與設計活載效應對比

1.2 橋涵動力效應

由于C80系列貨車的動力性能有所改善，重載列車作用下橋梁動力效應存在的主要問題與普通客貨共線鐵路提速后的狀態大體類似，主要表現在以下方面: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，梁體橫向出現整體平動;④小跨度橋涵填土厚度不足，沖擊系數偏大;⑤跨度32 m、24 m預應力混凝土梁的橫向聯結偏弱，橫隔板斷裂現象十分嚴重;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》通常值。

1.3 小跨度橋涵的疲勞效應

以C80貨車通過橋梁為例(圖2和圖3)，對于中等跨度以上的橋梁，每節列車通過時梁部結構產生應力峰值的循環次數較少;而對于小跨度橋梁，每節列車通過時梁部結構均產生一次應力循環，因此梁部結構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構能否滿足重載運輸要求的關鍵技術之一。

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，各方案中以加強梁端聯結為主，同時考慮梁的整體工作性能，對新增橫隔板的位置、數量和厚度進行了計算分析比較，以便于優化選擇。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，無法鉆孔設置橫向預應力筋，故采用普通鋼筋混凝土結構(a位置)，中間新增橫隔板均為預應力混凝土結構(b、c位置)。5種加固方案橫隔板的具體尺寸見表1。

對5種加固方案的加固效果進行了有限元計算分析。計算結果(表2)表明，提出的5種加固措施，對專橋(89)2032跨度20 m并置梁，一階、二階橫向及扭轉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%。考慮到低高度梁的斜彎曲效應比普通高度梁大，為了能同時消除并置梁跨中振動相位差及斜彎曲的不利影響，最終選擇加固方案5進行實橋的加固試驗。

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大方案

表2 20 m并置梁原梁及加固后結構頻率計算結果 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輸要求，加固應盡可能減少新增結構的重量，并使新增重量盡量靠近梁端，以減少恒載彎矩增加，在此基礎上提出了4種加固方案，各方案以加強梁端聯結為主，同時對原梁的9個橫隔板進行加強，并在跨中區段面板下增設水平聯結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;在梁端腹板擴大的前部增加長度 1.35 m、厚度0.25 m的水平聯結板;在跨中三個橫隔板橋面板下增設長度0.9 m、平均厚度0.24 m的水平板;

方案2:水平聯結板改為上、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:未加梁端橫向聯結，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;在梁端腹板擴大的前部增加長度1.1 m、厚度0.3 m的水平聯結板;在跨中三個橫隔板橋面板下增設長度0.9 m、平均厚度0.24 m的水平板。

計算結果(表3)表明，提出的4種加固措施，對跨度32 m預應力混凝土梁的橫向剛度均有提高，一階、二階橫向及扭轉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構頻率計算結果Hz

由于加固中新增加了恒載重量，根據各加固方案，對跨度32 m預應力混凝土梁進行了抗裂性驗算。經過驗算，按現行“橋規”在既有25 t軸重荷載下，加固后的跨度32 m預應力混凝土梁(直、曲線)的抗裂安全系數＞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

根據大秦線的實測結果，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”通常值的要求，最大超出1.47 mm，是相應通常值的2.05倍。墩高在21.6～24.6 m之間的橋墩，部分橋墩墩頂的橫向振幅也超過“橋檢規”通常值，橋墩橫向自振頻率大部分不能滿足“橋檢規”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”通常值的要求。為保證運營安全，對墩高在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、兩個橋墩較近時，主要采用連接兩個橋墩的托盤和墩帽方法，使其成為框架結構，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+基礎連接(方案3);方案2+基礎連接(方案4)。

2)單線橋墩時，主要采用擴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)。

對于雙線橋墩，根據有限元計算結果(表4)，采用加固方案1和方案2時，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%。考慮到加固方案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%，因此設置基礎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施方案。

對于單線橋墩，根據有限元計算結果，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與形成框架結構基本相當，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算結果 Hz

2.4 加固效果的試驗驗證

1)低高度并置梁加固效果

根據實測結果，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%，與理論計算基本一致。列車通過時，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預應力混凝土簡支梁加固效果

實測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”通常值要求，加固效果良好。實測梁體豎向自振頻率僅降低約1%，加固后雖然梁體的結構重量有所增加，但對梁體豎向動力特性影響不大。

3)圓形中高墩加固效果

根據實測結果，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%，增加幅度與理論計算值基本一致。加固后實測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”通常值的要求。

2.5 中小跨度橋梁的疲勞試驗研究

為模擬C80貨車及其動力效應，對大秦線一片跨度8 m鋼筋混凝土梁進行了室內疲勞試驗，疲勞次數達20，256，300次，并進行了連續不中斷疲勞的1 000萬次疲勞循環。其間先后共進行7次靜載試驗，以獲取在疲勞試驗不同階段橋梁的性能數據。試驗結果表明，梁體混凝土梁和下緣鋼筋工作正常，未發現明顯新增裂紋，已有裂紋也沒有明顯擴展。

鋼筋疲勞試件是從大秦線實際運營的混凝土梁中鑿取出來的。試件工作段長度840 mm。疲勞試驗最小噸位取10 kN，進行拉—拉循環加載。試驗應力比為0.06～0.10。共進行了10根試件的疲勞試驗，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比較見表5。

圖6 鋼筋疲勞試驗結果

根據試驗結果，鋼筋的疲勞試驗回歸曲線方程為

其中，Δσ =201.1 MPa，相關系數 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，疲勞應力幅Δσ=174.7 MPa。

用疲勞最大應力數據統計，得97.7%保證率的疲勞回歸曲線下限為

其中，疲勞最大應力幅 Δσ=195.5 MPa。

表5 8 m鋼筋混凝土梁下緣鋼筋疲勞參數比較

疲勞損傷分析表明，在良好的養護維修狀態下，大秦線8 m低高度鋼筋混凝土梁疲勞性能能夠滿足年運量200 Mt的運營需要。對于年運量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，橋梁能夠滿足設計使用的要求。

3 存在的問題與研究展望

目前，針對大秦線橋梁重載加固改造的工作已經全面展開，并按計劃逐年實施，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劇烈的機理及對策;③重載改造后橋梁的長期性能與合理的養護維修周期。大力開發橋梁等工務設備的長期監測系統是未來重載技術的發展方向之一。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

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

［3］中國工程建設標準化協會標準.GB50367—2006 混凝土結構加固技術規范［S］.北京:中國建筑出版社，1991.

［4］中國鐵道科學研究院.大秦線年運量2億噸條件下橋梁結構加固和壽命評估試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，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.