既有重載鐵路32 m預應力混凝土T梁運營性能檢算評估

李承君 葛凱 袁磊 許見超 趙體波 榮嶠 馬宏亮

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

早在2012年底，我國鐵路中年運量超過5 000萬t的干線客貨共線和貨運專線已達84條［1］。目前既有干線主要開行軸重21 t和23 t、牽引質量5 000 t級的列車，大秦鐵路和朔黃鐵路主要開行軸重25 t C80、牽引質量1萬t和2萬t的重載列車。大秦貨運專線鐵路年運量目前已超過4億t，大包、包蘭客貨共線鐵路年運量已超過2億t。

出于線路改造、病害整治和運營維護的需要，既有重載鐵路的橋面軌枕和鋼軌均已經過強化改造，雙片并置式T梁經過橫向加固，道砟層厚度普遍超限，導致既有重載鐵路橋梁的運營恒載較原設計恒載顯著增大。隨著貨運列車軸重、牽引質量及運量不斷增加，既有重載鐵路橋梁結構的劣化也日益嚴重。對大秦鐵路橋梁的現場調研結果表明，鋼筋混凝土梁和預應力混凝土梁均存在不同程度劣化，以鋼筋混凝土梁耐久性病害、預應力混凝土梁沿管道縱向開裂（叁標橋2019）及梁端附近腹板斜向開裂（專橋2039/2040、專橋2059A/B）最為典型［2］。

文獻［3-5］針對大軸重列車開行條件下既有鐵路常用跨度簡支梁運營活載與設計活載的關系進行了計算分析，從梁體活載效應（彎矩和剪力）儲備的角度評估了不同跨度橋梁對不同類型重載列車的適應性。本文同時考慮實際運營階段的梁體恒載效應與活載效應，對既有重載鐵路上應用最廣泛且開裂病害較為集中的跨度32 m后張法預應力混凝土T梁的抗裂性能和強度儲備進行檢算，評估梁體的運營性能，分析斜截面開裂的主要原因。

1 設計檢算

1.1 檢算對象

檢算對象為跨度32 m后張法預應力混凝土簡支T梁（單片），設計圖號為叁標橋2019、專橋2039/2040及專橋2059A/B。每種梁型分別對直線梁和曲線外梁進行檢算。檢算內容包括設計荷載作用下梁體正截面最大彎矩、最大剪力、抗彎強度安全系數、抗裂安全系數以及斜截面最大主應力；運營荷載作用下梁體正截面最大彎矩、最大剪力、最大正應力、最小正應力以及斜截面最大主應力。檢算截面包括支點內側截面、變截面，以及L/16、L/8、3L/16、L/4、3L/8和L/2截面，L為橋梁跨度。正截面應力檢算位置為梁體上緣和下緣，斜截面應力檢算位置為腹板上倒角、中性軸和下倒角。

1.2 設計參數

梁體設計檢算依據文獻［6-8］進行，自重和原設計二期恒載設計參數按照文獻［9］取值。各個檢算梁型的32 m簡支T梁均按全預應力結構設計。將原設計混凝土標號統一換算為強度等級，原500號混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量均按照C48混凝土依據TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》［7］取值內插得到。預應力鋼束的計算強度取0.9倍極限抗拉強度，孔道直徑5.0 cm，錨口、喇叭口摩阻損失按錨外控制應力的7%計，鋼絲應力松弛系數0.08，錨頭鋼絲回縮及錨頭變形按8 mm/（L/2）計。預應力損失計算依據TB 10092—2017附錄D的規定考慮反向摩阻的影響。32 m預應力混凝土T梁設計參數見表1。

表1 32 m預應力混凝土T梁設計參數

梁體自重均轉換為均布荷載進行計算。叁標橋2019、專橋2039/2040、專橋2059A/B三種梁型的自重恒載集度分別為33.01、32.55、33.2 kN/m，原設計直線梁、曲線外梁二期恒載集度分別為18.5、26.3 kN/m。

設計活載為中—活載。活載效應計入動力系數1+μ=1.1935，曲線梁檢算按《鐵路工程設計技術手冊混凝土橋》［12］中計算方法計入偏載系數。假定線路超高不超過150 mm，曲線半徑600 m，橋上軌道線路按平分中矢法布置。

1.3 運營活載及荷載組合

1.3.1 運營活載

運營活載按照HXD1機車牽引C80貨車考慮，列車編組為2×HXD1+6×C80（滿載）。其中牽引機車HXD1的軸重250 kN，C80貨車的軸重250 kN（滿載）。HXD1機車與C80貨車的荷載圖式見圖1。

圖1 運營列車荷載圖式（單位：cm）

1.3.2 荷載組合

1）運營恒載

將梁體自重、原設計二期恒載、橫向加固二期恒載增量、線路改造二期恒載增量和道砟超厚二期恒載增量均轉換為均布荷載進行計算。現場調研結果表明，大秦鐵路橋面道砟層厚度普遍達45～65 cm［2］，遠超規范限值35 cm［8］。叁標橋2019、專橋2039/2040、專橋2059A/B三種梁型的橫向加固二期恒載增量分別為1.863、1.848、3.629 kN/m；線路改造二期恒載增量均為5.46 kN/m；道砟層較原設計超厚分別按照10、20、30 cm計算，二期恒載增量分別為3.89、8.14、12.76 kN/m。

設計恒載（Design Dead Load）記為DDL，運營恒載（Operation Dead Load）記為ODL。

運營恒載分為5種：

ODL?1=DDL=自重+原設計二期恒載+永存預應力；

ODL?2=ODL?1+橫向加固二期恒載增量+線路改造二期恒載增量；

ODL?3=ODL?2+道砟超厚10 cm二期恒載增量；

ODL?4=ODL?2+道砟超厚20 cm二期恒載增量；

ODL?5=ODL?2+道砟超厚30 cm二期恒載增量。

2）運營荷載

設 計 荷 載（Design Load）記 為DL，運 營 荷 載（Operation Load）記為OL。將設計活載與設計恒載相加得到設計荷載DL；將重車線運營活載分別與運營恒載ODL?1、ODL?2、ODL?3、ODL?4、ODL?5相加，得到相應的運營荷載OL?1、OL?2、OL?3、OL?4、OL?5。

2 檢算結果與分析

2.1 設計荷載、運營荷載作用下梁體截面內力檢算

以專橋2059B型直線梁和專橋2059A型曲線外梁為例，設計荷載、運營荷載作用下梁體跨中截面最大彎矩和支點內側截面最大剪力檢算結果見表2。可知：除OL?1外，其余運營荷載作用下跨中截面最大彎矩均已超過設計荷載作用下最大彎矩；除OL?1、OL?2外，其余運營荷載作用下支點內側截面最大剪力均已超過設計荷載作用下最大剪力。

表2 設計荷載、運營荷載作用下梁體截面內力檢算結果

2.2 設計荷載作用下截面受力檢算

2.2.1 正截面受力性能

按照文獻［6-8］檢算設計荷載作用下跨中截面抗彎強度安全系數KM和抗裂安全系數Kf，檢算結果見表3。

表3 設計荷載作用下跨中截面K M和K f檢算結果

由表3可知：設計荷載作用下叁標橋2019直線梁跨中截面KM和Kf均不滿足規范要求，專橋2039/2040梁和叁標橋2019曲線外梁Kf不滿足規范要求，專橋2059A/B梁KM和Kf均滿足規范要求。

設計荷載作用下跨中截面上緣最大正應力和下緣最小正應力檢算結果見表4。可知：設計荷載作用下叁標橋2019梁和專橋2039/2040梁跨中截面下緣已出現拉應力，專橋2059A/B梁跨中截面下緣仍處于受壓狀態，各梁型跨中截面上緣最大壓應力均小于0.5fc=0.5×32.1=16.05 MPa（fc為混凝土軸心抗壓極限強度規范值），滿足規范要求。

表4 設計荷載作用下跨中截面上緣最大正應力和下緣最小正應力檢算結果 MPa

2.2.2 斜截面受力性能

設計荷載作用下斜截面最大主拉應力和最大主壓應力檢算結果見表5。

表5 設計荷載作用下斜截面最大主拉應力和最大主壓應力檢算結果 MPa

由表5可知：設計荷載作用下各梁型斜截面最大主拉應力均小于規范限值fct=3.02 MPa（fct為混凝土軸心抗拉極限強度規范值），最大主壓應力均小于規范限值0.6fc=0.6×32.1=19.26 MPa。

2.3 運營荷載作用下截面受力檢算

2.3.1 正截面受力性能

運營荷載作用下跨中截面上緣最大正應力和下緣最小正應力檢算結果見表6。

表6 運營荷載作用下跨中截面上緣最大正應力和下緣最小正應力檢算結果 MPa

由表6可知：叁標橋2019梁在OL?5作用下跨中截面上緣最大壓應力超過規范限值0.5fc=0.5×32.1=16.05 MPa，在OL?2作用下跨中截面下緣已出現拉應力，且在OL?5作用下拉應力已超過fct=3.02 MPa；專橋2039/2040梁在OL?4作用下跨中截面上緣最大壓應力超過規范限值，在OL?2作用下跨中截面下緣已出現拉應力；專橋2059A/B梁在OL?4作用下跨中截面上緣最大壓應力超過規范限值，在OL?3作用下跨中截面下緣已出現拉應力。

2.3.2 斜截面受力性能

運營荷載作用下斜截面最大主拉應力檢算結果見表7。叁標橋2019梁斜截面最大主拉應力位于變截面中性軸處，專橋2039/2040梁、專橋2059A/B梁斜截面最大主拉應力均位于L/8截面中性軸處。

表7 運營荷載作用下斜截面最大主拉應力檢算結果 MPa

由表7可知：在OL?5作用下，叁標橋2019梁斜截面最大主拉應力為-1.28 MPa，未超過規范限值0.7fct＝0.7×3.02＝2.11 MPa；專橋2039/2040梁斜截面最大主拉應力為-2.25 MPa，超過規范限值2.11 MPa；專橋2059A/B梁斜截面最大主拉應力為-1.90 MPa，未超過規范限值2.11 MPa。

運營荷載作用下各梁型斜截面最大主壓應力的檢算結果均滿足規范要求，不再列舉。

運營荷載作用下專橋2039/2040梁斜截面主拉應力最大、專橋2059A/B梁其次、叁標橋2019梁最小，專橋2039/2040梁腹板厚度最薄（150～200 mm）、專橋2059A/B梁其次（160～210 mm）、叁標橋2019梁最厚（240 mm），可知主拉應力水平與腹板厚度密切相關。主拉應力檢算值低于規范限值的專橋2059A/B梁同樣存在斜截面開裂現象，重載鐵路預應力混凝土梁主拉應力規范限值的合理性值得深入研究。腹板過薄、主拉應力過大是重載鐵路運營階段預應力混凝土T梁斜截面開裂的主要原因。

3 結論

1）既有重載鐵路跨度32 m預應力混凝土簡支T梁的運營恒載較原設計恒載顯著增大，運營荷載作用下梁體截面內力已超過設計荷載作用下內力。

2）設計荷載作用下叁標橋2019梁跨中截面的抗彎強度安全系數和抗裂安全系數均不滿足規范要求。專橋2039/2040梁跨中截面的抗彎強度安全系數滿足規范要求，抗裂安全系數不滿足規范要求。專橋2059A/B梁跨中截面的兩項安全系數均滿足規范要求。

3）設計荷載作用下叁標橋2019梁和專橋2039/2040梁跨中截面下緣出現拉應力，專橋2059A/B梁跨中截面下緣處于受壓狀態。各梁型跨中截面上緣壓應力、斜截面主拉應力和主壓應力均滿足規范要求。

4）運營荷載作用下叁標橋2019梁、專橋2039/2040梁和2059A/B梁跨中截面上緣最大壓應力均超過規范限值，且跨中截面下緣均出現拉應力。叁標橋2019梁、專橋2059A/B梁斜截面最大主拉應力均未超過規范限值；專橋2039/2040梁斜截面最大主拉應力超過規范限值。各梁型斜截面最大主壓應力均滿足規范要求。

5）既有鐵路32 m預應力混凝土簡支T梁均按照正截面不出現拉應力的全預應力結構設計，運營荷載作用下梁體正截面抗裂性能已退化為下緣受拉的部分預應力A類構件水平。若考慮橋面恒載額外超重、重載列車長期疲勞作用以及運營環境腐蝕作用，梁體有可能逐漸退化為正截面帶裂縫工作的部分預應力B類構件。需要持續關注既有重載鐵路混凝土梁服役狀態，進一步研究加固改造的必要性與可行性。

6）運營荷載作用下重載鐵路預應力混凝土梁主拉應力水平與腹板厚度密切相關。主拉應力規范限值的合理性值得深入研究。腹板過薄、主拉應力過大是運營階段梁體斜截面開裂的主要原因。