基于六五式鐵路軍用橋墩的重載鐵路墩部搶修應用研究

程 泳

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

目前，鐵路重載已成為諸多國家貨物運輸的發展方向，相比于普通鐵路運輸方式，鐵路重載可顯著提高運輸能力。為解決我國運輸能力緊張的問題，我國相繼建成大秦、朔黃、晉中南和浩吉四條重載鐵路，受限于地勢限制或出于解決土地的目的，上述鐵路修建了大量橋梁，據相關統計，大秦、晉中南和朔黃鐵路的橋梁孔數分別為3 562孔、9 018孔和2 554孔。橋梁因其自身結構特點，在戰時或自然災害突發時，容易遭受破壞，且易毀難修。為保障鐵路橋梁在遭受破壞后能夠快速形成通行能力，我國于20世紀先后研制了用于梁部搶修的六四式鐵路軍用梁、八七型鐵路應急搶修鋼梁、拆裝式桁梁以及用于墩部搶修的六五式鐵路軍用橋墩、八三式鐵路輕型軍用橋墩。限于研制年代技術水平，上述鐵路橋梁搶修器材僅適用于普速鐵路。為滿足鐵路快速發展所帶來的保障需求，謝愛華[1-3]開展了新型中等高度橋墩、新式活動棧橋、浮箱三種搶修器材的相關研究。高占軍[4]針對快速鐵路搶修需求探討了新型搶修器材所需具備的主要戰術技術條件。由于現階段沒有重載鐵路橋梁搶修所需專用器材，鄭捷[5]開展了拆裝式桁梁用于重載鐵路梁部搶修的可行性研究，明確了重載運輸時不同跨度、不同拼組形式拆裝式桁梁的受力薄弱部位，為重載鐵路橋梁梁部搶修提供了技術支撐。橋墩作為橋跨支撐結構，其結構安全性更加重要，但尚未見重載鐵路墩部搶修研究的相關報道。本文以六五式鐵路軍用橋墩(簡稱六五墩)為研究對象，進行六五墩用于重載鐵路墩部搶修的應用研究，研究成果可進一步豐富重載鐵路橋梁搶修的技術體系。

1 影響因素分析

為探討六五墩用于重載鐵路墩部搶修的可行性，首先需要明確六五墩使用的影響因素。影響六五墩使用性能的主要因素為：荷載、配合梁跨及六五墩墩型三種，現分別展開分析。

1.1 配合梁跨

利用六五墩進行重載鐵路墩部搶修時，首先需要確定待搶修橋梁跨度，為使分析更具針對性，表1統計了大秦、朔黃和晉中南重載鐵路橋梁的跨度情況。

表1 重載鐵路橋梁跨度數量

分析表1可知，既有重載鐵路橋梁以32 m跨度為主，再輔以24 m跨度，其它小跨度橋梁占比很小，故本文重點對六五墩配跨24 m、32 m兩種跨度進行分析。

1.2 荷載分析

六五墩原設計荷載為中-活載，現行重載鐵路設計荷載為ZH荷載(z為荷載系數，z=1.0、1.1、1.2)，如圖1所示。進行六五墩受力分析時需要考慮主力和附加力，其中，主力主要包括結構自重、ZH荷載反力、沖擊力和離心力；附加力主要包括制動力、風力、搖擺力和水流沖擊力。鑒于離心力、水流沖擊力與曲線半徑、水流速度相關，而重載鐵路橋梁大多數位于無水、直線線路地段，因此，本文分析時未考慮離心力和水流沖擊力影響。

圖1 ZH荷載圖式

主力荷載取值時：結構自重包括搶修鋼梁自重和搶修橋墩自重，依據既有研究，搶修鋼梁采用拆裝式桁梁，其中24 m拆裝梁自重約33 t，32 m拆裝梁自重約55 t；搶修橋墩自身由其結構形式決定，分析時計算程序自動賦予。ZH荷載反力根據梁部通行荷載情況計算后施加于墩頂。

附加力荷載取值時,橫向搖擺力、風力依據《鐵路橋涵設計規范》(TB 10002—2017)中的有關規定計算。沖擊系數的選取依據《六五式鐵路橋墩簡明手冊》。制動力與列車豎向動力作用同時計算時，制動力按列車靜活載的7%計算。

1.3 墩型選擇

六五墩為拼裝式結構，設計之初根據通行荷載及搶修鋼梁跨度不同，設計了適用于不同高度區間的橋墩結構型式。鑒于在橋墩結構形式相同時，其墩身越高受力越不利的情況，分析時均采用各結構形式的最大適用墩高進行，具體如表2所示。

2 可行性分析

2.1 計算工況

在通行速度較低的情況下，搶修橋墩的計算需要重點關注其結構受力和整體穩定性的情況。橋梁搶修完畢后，其上通行荷載存在重載、空載多種方式，在比較分析的基礎上，選取對搶修鋼墩受力較為不利的三種情況展開分析，分別為：雙孔重載、單孔重載、雙孔空車通行。在此基礎上考慮荷載組合方式，形成6種計算工況，如表3所示。

表2 六五墩常規墩型

表3 計算工況

確定分析工況后，需要明確配合梁跨。由上文分析可知，六五墩配合梁跨主要為24 m和32 m兩種。鑒于24 m和32 m跨度進行組合時，24 m+24 m跨度組合墩頂反力最小，32 m+32 m跨度組合墩頂反力最大，故分別以24 m+24 m和32 m+32 m對研究對象，結合表3所示工況展開分析。

六五墩能否用于重載鐵路搶修，取決于桿件受力與其設計承載能力的比較，為便于分析，表4給出了六五墩各部位承載力限值，表中位移依據《鐵路橋梁搶修(建)技術規程》計算求得。

表4 六五墩桿件承載力限值及位移要求

2.2 受力分析

利用有限元軟件Madis Civil軟件建立整體有限元模型，分析時墊梁和立柱采用梁單元，聯接系角鋼采用桁架單元，假定地基處理合格，橋墩下墊梁與地基剛接。

2.2.1 配跨24 m+24 m

依據表3所列工況，對六五墩配跨24 m+24 m拆裝梁用于重載鐵路墩部搶修時進行受力分析，提取六五墩各部位最不利工況下的數據，其結果如表5所示，表中“*”表示超過受力限值。由表5可知：

(1)當z=1.0時，3×3墩型的受力薄弱部位有立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移兩處；3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移三處；3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移兩處。

表5 配跨24 m+24 m拆裝梁受力分析結果

(2)當z=1.1時，3×3、3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移三處；3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型的受力薄弱部位與z=1.0時相同。

(3)當z=1.2時，3×3、3×4墩型與z=1.1時的受力薄弱部位相同；4×4、4×6墩型的受力薄弱部位有墊梁腹板、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移三處；3×5、4×5、5×6受力薄弱部位與z=1.0時相同。

2.2.2 配跨32 m+32 m

仍依據表3所列工況，對六五墩配跨32 m+32 m拆裝梁用于重載鐵路墩部搶修時進行受力分析，提取六五墩各部位最不利工況下的數據，其結果如表6所示，表中“*”含義與表5相同。由表6可知：

(1)當z=1.0時，3×3墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移四處；3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移三處；4×4墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移四處；4×5、4×6墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移三處；3×5、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移兩處。

(2)當z=1.1時，3×3、3×4墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移四處；4×4、4×6墩型的受力薄弱部位與z=1.0時一樣；4×5墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立柱、部分立面斜撐、橋墩縱向位移四處；3×5、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移三處。

(3)當z=1.2時，3×3、3×4、3×5、4×5、5×6墩型的受力薄弱部位與z=1.1時相同；4×4墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立柱、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移五處；4×6墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立柱、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移四處。

2.3 加固措施

六五墩用于重載鐵路墩部搶修時，共有墊梁、部分立柱、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移五處受力薄弱部位。其中：

表6 配跨32 m+32 m拆裝梁受力分析結果

(1)立面斜拉撐、橋墩縱向位移超限情況最為突出，在配跨24 m+24 m和32 m+32 m時的七種墩型中均有出現。對于斜撐桿超限情況，安裝條件容許時可采用雙肢撐桿，安裝條件不容許時可新制大截面撐桿單肢安裝，同時需要驗算連接螺栓的承載力；對于縱向位移超限情況，需要提高橋墩縱向剛度，可通過降低使用墩高、增大橋墩縱向截面等方式實現。

(2)墊梁以及立柱與下墊梁連接處受力超限情況在三種墩型中存在，且配跨32 m+32 m時的超限數量多于配跨24 m+24 m。鑒于墊梁為剪應力超限，可通過在腹板外貼鋼板的方法提高其承載能力；對于立柱與下墊梁連接處受力超限情況，由于立柱與下墊梁之間無法增加螺栓數量，可在立柱、下墊梁連接處增加額外連接方式，例如采用角鋼、卡板等連接立柱和下墊梁，但要注意立柱或墊梁與新增連接件連接位置的局部受力情況。

(3)立柱軸力超限僅在配跨32 m+32 m時存在，且當荷載系數z=1.2時最為普遍，七種墩型均存在超限現象。進一步分析立柱位置發現，軸力超限的立柱主要位于橋墩中部，主要原因是上部荷載在各立柱間分配不均所致，可通過增加上墊梁剛度、調整墊梁位置等方式調整荷載橫向分布，增大邊柱和橋墩中部立柱的協同受力。

3 結論

(1)六五墩手冊中現有墩型不能直接用于重載鐵路墩部搶修，但可依據具體工程進行檢算，并對部分桿件內力或墩頂位移超限情況采取相應技術措施加固后，進行重載鐵路墩部搶修。

(2)依據六五墩用于重載鐵路墩部搶修所需加固難易程度，推薦墩型選取原則為：配跨24 m+24 m拆裝梁且系數z=1.0、1.1時，可選用3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型；當z=1.2時，可選用3×5、4×5、5×6墩型。墩配跨32 m+32 m拆裝梁且系數z=1.0、1.1時，可選用3×5、4×5、4×6、5×6墩型；當z=1.2時，可選用3×5、4×6墩型。