鐵路重載運輸條件下超低高度預應力混凝土梁加固效果試驗研究

蔡超勛（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　100081）

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鐵路重載運輸條件下超低高度預應力混凝土梁加固效果試驗研究

蔡超勛
（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

摘要簡述了一種32 m超低高度預應力混凝土簡支梁的荷載調配式輔助鋼梁加固設計方案及施工工藝，通過加固過程的監(jiān)控試驗及加固前后橋梁靜動力性能試驗，全面評估其加固效果。結果表明:輔助鋼梁與原梁共同工作性能良好，荷載調配式輔助鋼梁可承擔原梁30％～40％的恒載，分擔原梁近20％的活載；加固后原梁跨中截面下翼緣混凝土應變、跨中撓度、豎向振幅、橫向振幅實測值均得以不同程度的降低，加固效果明顯；加固后的橋梁能滿足30 t軸重重載運輸要求，可在超低高度預應力混凝土梁重載加固中推廣應用。

關鍵詞重載線路；超低高度梁；輔助鋼梁；加固

國內外重載運輸實踐經驗表明，提高列車軸重、增加編組長度是實現(xiàn)重載鐵路運輸?shù)闹饕夹g發(fā)展方向，美國、加拿大、澳大利亞等重載發(fā)達國家列車軸重集中在32. 5～35. 4 t，最大軸重已達40 t［1］。目前，我國既有重載鐵路最大軸重開行25 t軸重、載重80 t級的煤炭專用敞車C80。為提高運輸效率，某些線路擬通過對既有線路基礎設施的強化改造，開行30 t及以上軸重的重載貨物列車。我國前期建設的鐵路在跨線地段及平原地區(qū)，為降低橋梁區(qū)段路堤填筑高度，保證橋下凈空要求，提高經濟效益，采用了一些低（超低）高度梁。針對大軸重重載運輸條件下低（超低）高度梁的重載適應性及強化技術，我國學者開展了大量研究并取得了很多成果。文獻［2-3］對新建重載條件下橋梁設計活載標準進行了研究；文獻［4］試驗研究了30 t軸重下朔黃鐵路橋涵結構強化技術；文獻［5］試驗分析了30 t軸重重載貨車作用下預應力混凝土梁動力響應；文獻［6］計算分析了32 m超低高度預應力混凝土簡支T梁的重載適應性和加固方案；文獻［7］對輔助鋼梁加固重載鐵路橋梁進行了動力響應實測分析。本文在這些研究的基礎上，介紹了一種32 m超低高度預應力混凝土梁的荷載調配式輔助鋼梁加固設計方案及加固施工工藝，通過加固過程的監(jiān)控試驗及加固前后橋梁靜動力性能試驗，對其加固效果進行全面的試驗評估，形成了一種可推廣應用的超低高度預應力混凝土簡支梁的重載加固技術。

1　加固方案簡介

為提高梁體的抗裂性、強度和豎向剛度，以滿足重載運輸要求，經加固設計方案比選，采用荷載調配式輔助鋼梁進行加固。其設計思路是通過設置橫向預應力，使輔助鋼梁與原超低高度預應力混凝土梁（以下簡稱原梁）協(xié)同變形，共同受力；通過頂升預彎輔助鋼梁，使輔助鋼梁不僅要分擔列車活載，還要承受原梁的部分恒載，達到恒載調整、活載分配的目的，并充分利用輔助鋼梁自重小、強度高的特點。

輔助鋼梁每片梁分為3段，采用工廠制造，并設置了66 mm的預拱度，單片輔助鋼梁寬0. 5 m，高1. 5 m，計算跨度為32 m，梁體長度32. 6 m；鋼梁中心距原梁中心的橫向距離為0. 83 m，兩片鋼梁中心的橫向距離為3. 46 m。輔助鋼梁腹板厚度為24 mm，翼板厚度為36 mm。梁體加固平、立面圖及橫斷面布置情況見圖1、圖2。

在原梁跨中增設預應力混凝土錨固橫梁，在原梁每片T梁的外側各增設1片工字形輔助鋼梁，3段輔助鋼梁現(xiàn)場通過高強螺栓連接成型，并通過錨固橫梁與原梁聯(lián)結。輔助鋼梁與錨固橫梁聯(lián)結形成共同受力結構后，在鋼梁支座附近位置頂升輔助鋼梁至目標位置（為避免輔助鋼梁在頂升過程中失穩(wěn)，在其支點位置設置了橫向限位裝置），并安裝縱向活動球型鋼支座和完成輔助鋼梁與原梁的其他豎向及橫向聯(lián)結，使輔助鋼梁與原梁形成組合結構共同承擔荷載作用。

該加固方案已在某線一座跨度32 m超低高度預應力混凝土簡支梁橋重載改造中實施。

圖1　32 m超低高度預應力混凝土梁加固平、立面（單位：mm）

圖2　32 m超低高度預應力混凝土梁加固跨中及梁端截面（單位：mm）

2　加固效果評估試驗設計

評估靜力試驗內容：①測試加固前后相同類型貨車作用下原梁動力性能（跨中截面梁體應變、撓度、橫向振幅、豎向振幅），以對梁體進行綜合評估；②為評估加固施工頂升預彎輔助鋼梁能承擔多少原梁的恒載，測試加固過程中原梁跨中截面上下翼緣混凝土應力及撓度；③為評估輔助鋼梁能分配多少原梁的活載，測試加固前后相同類型貨車作用下梁體跨中截面應力及撓度；④為驗證輔助鋼梁與原梁共同工作性能如何，測試加固后重載列車通過時輔助鋼梁及原梁跨中截面應變及撓度。

在加固前后跨中截面應變的測試中，為避開加勁肋與橫隔板、橫向加固塊對局部受力測試結果的影響，統(tǒng)一選取跨中偏橋梁大里程方向0. 5 m處作為梁體應變測試截面。

橋梁動力性能評估時，測試貨車選用該線運用時間最短的25 t軸重的C80；加固前后試驗次數(shù)各取20次，加固前后測試貨物列車均隨機選取，兩組試驗列車速度平均值不超過10 km/h；取20次試驗數(shù)據(jù)的平均值作對比。在試驗評估時給出了少量的30 t軸重C96貨車的測試數(shù)據(jù)作為參考。

3　試驗結果

3. 1加固效果綜合評估

圖3為加固前后各項試驗數(shù)據(jù)的對比；表1給出了加固前后20趟C80測試貨車通過時，各試驗項目的平均值。通過輔助鋼梁加固，原梁跨中截面下翼緣混凝土應變、跨中撓度、豎向振幅、橫向振幅實測值均降低15％以上，加固效果明顯。

圖3　荷載調配式輔助鋼梁加固前后原梁試驗數(shù)據(jù)對比

表1　加固前后各實測梁體響應平均值對比

3. 2恒載調整試驗結果

輔助鋼梁與原混凝土梁體在跨中0. 8 m范圍內固結后，在輔助鋼梁兩端施加30. 5 t的頂升力再進行支座安裝。頂升過程中對原混凝土梁跨中截面上、下緣混凝土應力及撓度進行了測試。輔助鋼梁頂升完成后，實測原梁跨中截面處梁體上拱6. 10 mm，原梁跨中截面下緣混凝土產生120×10- 6（4. 3 MPa）的壓應變，上緣混凝土產生72×10- 6（2. 6 MPa）的拉應變。

經檢算，原梁恒載作用下跨中截面撓度為13. 80 mm，跨中截面混凝土下緣受拉應力15. 8 MPa，上緣受壓應力7. 3 MPa。

通過頂升施工，原梁恒載作用下跨中撓度降低44. 2％，跨中截面下緣拉應力降低27. 2％，上緣壓應力降低35. 6％，即輔助鋼梁承擔了原梁約30％～40％的恒載，達到了恒載調整的目的。

3. 3活載分配試驗結果

加固前后在C80重載貨車作用下，原梁跨中截面下翼緣梁體應變平均值分別為196×10- 6，165× 10- 6；跨中撓度平均值分別為17. 72，14. 25 mm。加固后，原梁跨中截面下翼緣應變及跨中撓度均顯著降低，降低量分別為15. 9％和19. 6％。

在最理想的加固效果條件下，原梁與輔助鋼梁形成組合結構，協(xié)同一致變形，活載按剛度進行分配。在考慮原梁與輔助鋼梁形成的組合結構條件下（原梁與輔助梁質心一致），原梁與輔助鋼梁的剛度比為3. 54，即輔助鋼梁可分配原梁22％的活載。

實測加固后原梁跨中撓度及跨中截面下翼緣應變降低近20％，略低于理論計算值，這與加固后組合結構質心略低于原梁質心、加固前后測試的C80貨車裝載偏差、組合結構變形不完全一致等因素有關。從測試結果來看，輔助鋼梁分擔了原梁約20％的活載，與原梁形成組合結構提高了原梁約20％的剛度，達到了提高原梁剛度、分配原梁活載的目的。

3. 4共同工作性能試驗結果

加固后在C80重載貨車作用下，輔助鋼梁與原梁跨中截面處梁體撓度平均值均為14. 2 mm，跨中截面應變平均值分別為132×10- 6和164×10- 6。輔助鋼梁與原梁跨中截面撓度基本一致，同一截面高度處應變有一定差異，這與測試截面輔助鋼梁與原梁無連接，活載通過跨中截面橫向連接塊在原梁與輔助鋼梁間的傳遞衰減等有關。雖輔助鋼梁與原梁變形并不完全一致，但從活載分配試驗結果來看，兩者能協(xié)同承受活載作用，橫向連接處能協(xié)同變形，輔助鋼梁與原梁共同工作性能良好。

3. 5加固后30 t軸重貨車運營試驗

原梁加固后，測試了12趟30 t軸重C96試驗貨車，以評估加固后橋梁在30 t軸重重載貨車作用下的運營狀態(tài)。試驗貨車按60，70，75，80 km/h 4種速度進行試驗，每速度級試驗3次，試驗貨車采用SS4機車牽引，牽引總重約為54 000 kN。

實測梁體豎向振幅、橫向振幅、跨中撓度及下緣混凝土應變的實測最大值分別為0. 90 mm，0. 49 mm，15. 30 mm和181×10- 6。梁體跨中撓度及應變的實測值見圖4。各實測結果均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的相關要求，加固后的橋梁可滿足30 t軸重重載運輸要求。

圖4　加固后30 t軸重實測原梁應變及撓度

4　結論

采用荷載調配式輔助鋼梁加固32 m超低高度預應力混凝土簡支梁方案，輔助鋼梁與原梁共同工作性能良好。荷載調配式輔助鋼梁可承擔原梁30％～ 40％的恒載，分擔原梁近20％的活載；加固后原梁跨中截面下翼緣混凝土應變、跨中撓度、豎向振幅、橫向振幅實測值均降低15％以上，加固效果明顯。加固后的橋梁能滿足30 t軸重重載運輸要求，可在超低高度預應力混凝土梁重載加固中推廣應用。

參考文獻

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（責任審編孟慶伶）

Experimental Study on Reinforcing Effect of Ultra-low Height Prestressed Concrete Girder Under Heavy Haul Railway Transport

CAI Chaoxun
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractAuxiliary steel beams were used to strengthen a simply supported 32 m ultra-low height prestressed concrete girder. T he design and construction were introduced in this paper. Its reinforcing effect was evaluated through experimental tests during construction. Both static and dynamic responses before and after construction were analyzed. T he results show that the auxiliary steel beams effectively distribute dead load by 30％～40％，and 20％ live load. W ith reinforcement，the test values of concrete strain at the bottom flange in the mid-span，the deflection at the mid-span，the vertical and transverse vibration are deduced. T he reinforced bridge meets the strength requirement for heavy haul transport with 30 t axil loads. T his reinforcement technology may be widely applied.

Key wordsHeavy haul railway；Ultra-low height girder；Auxiliary steel beam；Reinforcement

中圖分類號U445. 7+2

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 02

文章編號：1003-1995（2016）06-0007-04

收稿日期：2016-02-15；修回日期：2016-04-12

基金項目：國家科技支撐計劃（2013BAG20B00）

作者簡介：蔡超勛（1982—），男，助理研究員，碩士。