鐵路簡支T梁橫向預應力加固方法

于 貴，張 宇，柯佳聞

(1.中鐵科學研究院有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

隨著鐵路貨物發送量的增大，列車載重和運行速度不斷提升。目前，我國鐵路年貨運量達30億t，位居世界第一，采用的運輸列車由C70,C80提高到C100；客運列車(高速列車)運行速度提高至200 km/h，這對橋梁的穩定性和安全性提出了更高的要求。特別是運營要求提高后，橋梁橫向振動出現的問題較多。如廣深線石龍特大橋主橋在運營前進行振動測試，當列車速度達到150 km/h時，主跨與支撐墩發生車橋耦合振動，其強振頻率為1.953 Hz；京廣線K726+355上行橋為2×24 m+32 m+2×24 m簡支梁橋，其梁體跨中最大橫向振幅為5.32 mm，超過了規范要求的安全限值3.56 mm，直接影響列車行車安全[1]。

在鐵路橋梁設計通用圖中，只有橋梁通用圖“專橋(01)2051、專橋(01)2011、朔黃橋通-18”包含橫向連接預應力，其余圖號的梁型均存在橫向連接不足、梁體受力不均勻等現象[2]。鑒于鐵路橋梁設計和應用中的問題，為了保證鐵路運營安全，鐵運函〔2004〕120號《鐵路橋梁檢定規范》[3]規定了列車通過時橋梁的振動頻率、振動幅度和振動加速度限值。我國早年修建的鐵路雙片簡支T梁運營時間較長，在環境腐蝕和重載的作用下橫隔梁早已開裂。管養部門常用的維護方法是將開裂的橫隔梁用混凝土砂漿修補，但運營一段時間后會繼續開裂，且橋梁橫向振幅不能滿足《鐵路橋梁檢定規范》的要求。為保證列車以160 km/h(客車)和90 km/h(貨車)安全通過，馬林[4]提出采用橫向預應力加固的方法改善鐵路混凝土橋梁的橫向整體性，延長使用壽命，節省資金。

本文以鐵路雙片32 m簡支T梁為研究對象，通過有限元分析和現場荷載試驗對橫向預應力加固效果進行研究。

1 工程背景和梁體加固方法研究

1.1 工程背景

山西陰火鐵路始建于1986年，于1993年建成通車運營，為連接陰塔至火山的地方單線鐵路。正線全長33.3 km，全線共有橋梁18座，且全部為預應力混凝土簡支梁橋，全線限速40 km/h。2013年陰火鐵路年運量為800萬t，開行重車雙機(DF8B)和牽引(C64K)貨運列車，為非電氣化鐵路。為了滿足新的貨運量任務，C64K貨運列車逐漸退出，計劃開行C80貨運列車，預期年運量 15 00萬t。這對全線橋梁的安全工作提出了新的要求。

1.2 梁體加固方法研究

相關文獻顯示部分鐵路橋梁采用了橫向預應力加固的方法。如蘭新線K898+572橋由于提速至200 km/h，梁體跨中最大橫向振幅達11.80 mm，超出了安全限值2.67 mm，橫向預應力鋼束加固后最大橫向振幅為2.34 mm[5]。神朔線32 m和24 m預應力混凝土簡支梁橫向動力性能差，橫向預應力鋼束加固后提高了梁體橫向剛度和橫向自振頻率[6]。侯月線在運營多年后出現橋梁橫隔板混凝土脫落的現象，在提速的需求下進行了橫向預應力加固，梁體抗裂性能和橫向剛度均有所提高[7]。

綜上可知，鐵路簡支T梁進行橫向預應力加固后，橋梁的動力特性會得到不同程度的提升。因此，對陰火鐵路全線橋梁也采用該方法進行加固。

1.3 陰火鐵路全線橋梁檢測

2013年相關單位對全線橋梁進行了橋梁檢測評估和荷載試驗。結果表明：全線橋梁均存在橫隔梁開裂和掉塊現象；部分橋梁梁體混凝土存在蜂窩麻面以及裂縫；部分橋梁支座有不同程度的損壞(包括銹蝕、偏位等)；附屬設施銹蝕，損壞較為嚴重；3座橋梁梁體跨中橫向振幅超限，1座橋梁梁體橫向加速度超限，3座橋梁橋墩橫向振幅超限。部分橋梁梁體跨中橫向振幅、橋墩橫向振幅和自振頻率測試結果分別見表1和表2。

表1 部分橋梁梁體跨中橫向振幅和自振頻率

表2 部分橋梁橋墩橫向振幅和自振頻率

續表2

注：3號橋為一跨布置，只包含橋臺沒有橋墩。

2 鐵路T梁橫向預應力加固

2.1 橫向預應力加固原則

文獻[5-6，8]對預應力混凝土T梁橫向加固的設計和施工進行了介紹，不僅列出了較為詳細的加固工藝流程、施工方案和技術措施，以及加固所需的相應機具設備。

橫向預應力加固設計原則為： ①加固工程實施不影響列車正常運行；②加固設計應滿足結構疲勞和耐久性的要求；③盡量減少對原有結構的損傷；④橫向預應力選擇合理，避免對主梁產生不利影響；⑤所需設備具有輕型化、便于操作、施工簡單、安全可靠等特點[4]。

2.2 橫向預應力加固方案

2015年施工單位對陰火鐵路12座預應力混凝土簡支梁橋進行了加固處理，主要跨度包括32 m預應力混凝土簡支梁和8 m鋼筋混凝土簡支梁。其中，32 m跨度簡支梁共計40孔，包含3孔設計圖號為叁標橋2019和37孔設計圖號為專橋2059，8 m跨度簡支梁共計1孔，設計圖號為專橋(88)1023。

依據橋梁檢測和動、靜載試驗結果，陰火鐵路12座橋梁加固內容為：雙片并置結構橫向加固聯結、增設上翼緣滴水檐、更換橋面泄水管和封閉梁體表面裂縫。橋梁加固如圖1所示，其中圓圈為橫向預應力鋼束加固位置。

圖1 專橋2059加固設計

2.3 橫向預應力加固工藝

對陰火鐵路32 m簡支梁橋橫向加固時，按照以下步驟施工：

1)探測主梁腹板鋼筋位置。利用鋼筋位置探測儀對鉆孔部位梁體內鋼筋位置進行探測，保證鉆孔位置處無普通鋼筋和預應力鋼筋。如遇鋼筋，則鉆孔孔位以設計孔位為圓心，在半徑5 cm范圍內移動，避開普通鋼筋和預應力鋼筋。

2)在橫向預應力鋼束孔位鉆孔。預應力鋼束鉆孔外徑為18.1 mm，水平普通鋼筋鉆孔直徑根據鋼筋直徑確定。

3)錨固普通鋼筋。采用FH-E131型或HIT-RE500型植筋膠將水平錨固鋼筋(HRB400熱軋帶肋鋼筋)植入腹板。

4)預緊鋼筋。采用直徑18 mm的 HRB400熱軋帶肋鋼筋對梁體進行預緊，待植筋膠達到設計強度后每根預緊鋼筋預緊力為20 kN。

5)安裝橫向預應力鋼束。預應力鋼束采用直徑15.24 mm的1860級低松弛無黏結鋼絞線。

6)安裝模板。

7)橫向預應力鋼束初張拉。采用DSM15-1型低回縮單孔夾片錨固預應力鋼束，初張拉力為39 kN。初張拉后立即澆筑C50普通硅酸鹽混凝土。

8)橫向預應力鋼束終張拉。待混凝土強度達到80%后對其進行張拉，張拉分2步進行，每次張拉力均為195 kN，如圖2所示。

圖2 預應力鋼束張拉施工

9)封錨和防水處理。采用C50鋼筋混凝土進行封錨，新老混凝土結合處涂刷2道聚氨酯防水涂料。

3 鐵路T梁橫向預應力加固精細化分析

3.1 橫向振動分析方法

橋梁橫向加固前后，橫向振動特性的變化可以反映加固效果。以下文獻采用了不同的方法對加固效果進行分析：

1)趙如[9]利用實體有限元模型，采用子空間迭代法對預應力混凝土T梁的動力特性進行分析，將橫向自振頻率作為判定指標，分析了橫隔板對于預應力混凝土T梁橫向動力特性的影響。結果表明，隨著橫隔板厚度的增加，單跨簡支梁橫向一階振動頻率呈線性增長，橫隔梁開裂對單跨簡支T梁橫向一階自振頻率影響非常大。

2)王新剛[10]利用有限元軟件ANSYS分析雙片T梁的加固效果，通過結構的固有頻率和振型作為加固效果的判定指標。分析結果表明，橫向剛度不足引起了橫向振幅超限，增加2片T梁間的橫向連接能夠提高橫向剛度。

3)孫濤等[11]對鐵路預應力簡支T梁縱向體外預應力加固采用手算的方式進行了計算分析，確定了錨筋和張拉控制應力。

4)李保龍[2]利用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁模型，通過定義不同時程函數來確定車輛水平力，從而計算不同速度下橋梁的橫向振幅。分析結果表明梁體加固后可以減小5.6%的橫向位移。

為了更好地分析鐵路T梁橫向加固效果，本文采用MIDAS/Civil對陰火鐵路橋梁進行有限元分析，通過自振頻率對橋梁橫向振動特性予以評價。

3.2 有限元模型

陰火鐵路DK11+947橋梁為4跨簡支梁橋，梁體采用專橋2059。根據加固前后實際情況建立梁單元三維模型。

加固前，由于原橫隔梁開裂，建模時對橫隔梁截面尺寸進行了適當削減；加固后，橫隔梁尺寸更改為原設計尺寸，并增加橫向預應力橫梁以及施加預應力。建模過程中考慮了墩底約束、橋梁支座約束、重力、橋面道砟、人行道荷載和橫向預應力。為保證模型的準確性，通過調整支座約束剛度修正模型，使加固前橋梁自振頻率與實測數據相同。

加固前橋梁模型包含522個節點，495個梁單元，全橋及T梁細部模擬如圖3(a)所示。加固后模型包含522個節點，495個梁單元，全橋及T梁細部模擬如圖3(b)所示。

圖3 加固前后有限元模型

3.3 加固前后計算結果

加固前后橋梁第1階橫向自振頻率見圖4。可知：加固前后橋梁第1階橫向自振頻率分別為3.46，4.16 Hz；加固后橋梁第1階自振頻率增加了20.2%，對于橋梁橫向剛度提高效果顯著。

圖4 加固前后橋梁第1階橫向自振頻率(單位：Hz)

4 橫向預應力加固效果分析

4.1 加固后荷載試驗

陰火鐵路橋梁加固后，運管單位對部分橋梁進行了荷載試驗。試驗結果見表3。

4.2 橫向預應力加固效果分析

1)加固前后橋梁自振頻率

根據加固前后橋梁荷載試驗結果，對比其自振頻率見表4。

表3 加固后部分橋梁梁體跨中橫向振幅及頻率

表4 部分橋梁梁體跨中橫向自振頻率

根據模擬計算結果可知，DK11+947橋梁加固后1階 橫向自振頻率提高了20.2%；現場荷載試驗實測結果表明，該橋加固后1階橫向自振頻率提高了26.6%。說明采用有限元模擬方法具有較高的準確性，能夠滿足實際加固工程的需要。

荷載試驗結果表明：①橫向預應力加固方法對于鐵路簡支T梁橫向剛度具有明顯提高，橫向自振頻率平均增加36.5%。②對于不同鐵路線形、梁體形式、跨度和跨數，梁體橫向自振頻率提高4.1%～245.4%。③對于3跨簡支梁橋，橫向自振頻率提高10%～20%；對于4跨簡支橋梁，橫向自振頻率提高20%以上。

2)加固前后橫向振幅

根據加固前后橋梁荷載試驗結果，對比其橫向振幅見表5。可知，對于同一片梁，采用橫向預應力加固對橫向振幅的降低有一定效果。其中，橫向振幅平均降低9.9%，最大降低32.7%，部分橋梁橫向振幅增大22.5%。

表5 部分橋梁梁體跨中橫向振幅

5 結論

1)鐵路簡支T梁在運量增加、重載和提速后，存在橋梁橫向剛度不足和橫向振幅超限的現象。

2)對鐵路簡支T梁進行橫向預應力加固后，在40 km/h 的速度內，橋梁的橫向自振頻率平均增加36.5%，橫向自振頻率提高4.1%～245.4%；橋梁橫向振幅平均降低9.9%，最大降低32.7%。該加固方法顯著提高了橋梁橫向剛度，有效降低了橫向振幅，改善了橋梁的工作性能。

3)通過調整橋梁支座剛度修正模型，并將計算結果與實測數據對比，發現二者吻合較好，說明有限元模擬方法具有較高的準確性。