李承君，馬 林

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

大秦鐵路是我國第一條重載鐵路和雙電氣化運煤專用線。自 1988年開通以來，先后開行了4 000 t、5 000 t、6 000 t、9 500 t和11 000 t的 貨 物 列 車。 為 適應鐵路跨越式發(fā)展，自2005年開始，大秦線開行了2萬t長大重載列車，隨后每年以50 Mt的運量遞增，2008年年運量達到340 Mt。列車編組形式為萬噸單元列車和2萬t組合列車并存，軸重由21 t提高到25 t，列車編組數(shù)量最大增加到240輛，主要車型逐步過渡為 C80。

通過對既有線路及橋梁綜合試驗結果進行分析，發(fā)現(xiàn)在2萬t列車運行條件下，橋梁和橋墩的主要問題在于:跨度20 m及以下雙片式并置梁由于兩片梁僅在梁端處有橫隔板連接，中間無橫向連接，橫向剛度和穩(wěn)定性不足，橫向自振頻率較低，不能滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡稱《橋檢規(guī)》)的要求;跨度32 m預應力混凝土梁的橫向連接不足，高墩條件下橫向振幅超過《橋檢規(guī)》安全限值，兩片梁存在較大撓度差，梁體共同作用不良;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(guī)》通常值。為保證列車的運營安全，有必要對橋梁、橋墩進行加固，提高其橫向剛度。

1 加固總體思路

振動系統(tǒng)的頻率值只與結構本身的固有特性如結構質量分布、組成形式、剛度、支承情況和材料性質等有關，而與其所受荷載等其它條件無關。由于既有結構的材料性質和截面形式都不能改變，可以考慮通過加強梁的橫向連接或加強對梁體的約束等方式來增大梁的固有頻率。根據(jù)以往鐵路混凝土簡支梁提速加固的經(jīng)驗，加強兩片梁之間的橫向連接可有效地提高梁體橫向剛度。對于橋墩也可以采取增大橋墩橫截面尺寸或對上、下行線并行橋墩進行連接的加固方法。

根據(jù)結構的受力情況，梁的加固應遵循以下原則:控制新增聯(lián)結系的重量，并優(yōu)先設置在梁端附近，避免加固后梁跨中恒載彎矩增加過多;新增連接的位置盡量避開原梁預應力鋼束密集區(qū)域。橋墩的加固在保證加固效果時，應盡量減少新增混凝土的重量，以減小對地基的影響。加固方案的設計應考慮施工的可行性并盡量減少加固后養(yǎng)護維修的工作量。

2 梁的加固

結構固有頻率的計算從數(shù)學角度上說屬于求特征值問題。為模擬梁的實際結構形式、質量分布和支承狀態(tài)，在有限元分析時建立實體模型進行模態(tài)分析，用分塊蘭索斯法進行模態(tài)提取，避免由于模型中含有形狀較差的單元而引起的不收斂問題。

建立梁模型時不考慮橋面鋪裝及道砟對梁體幾何尺寸的影響，僅將其作用等效為均布荷載加在道砟槽板內，即增大道砟槽板的密度;由于原梁的橫隔板內未設預應力鋼筋，其強度低于梁體，在模型中對其彈性模量進行適當折減。對簡支梁采用了一端固定、一端鉸支的約束條件。計算時用定義不同的單元特性來描述梁體不同部分的彈性模量、密度等特性。

2.1 跨度20 m及以下雙片式并置梁

選取大秦線上有代表性的跨度20 m低高度預應力混凝土梁進行加固設計，圖號為專橋(89)2032。

加強兩片梁的橫向連接是提高梁體橫向剛度的有效方法。在進行多種加固方案的計算分析并綜合考慮加固后結構的靜剛度后，提出了5種加固方案，通過對新增橫隔板位置及厚度的調整進行優(yōu)選。原梁及加固后橫隔板的位置見圖1。圖1中1～3為原梁梁端連接及肋板，a，b，c為新增橫隔板位置。各方案中橫隔板尺寸見表1。

圖1 20 m并置梁原梁及加固后橫隔板布置示意

表1 20 m并置梁橫向加固擴大橫隔板方案 m

根據(jù)以上提出的加固方案，建立有限元模型進行模態(tài)分析，得到原梁及不同加固方案結構的自振頻率，由于關心的主要是結構的低階頻率，故僅列出前三階振型的頻率，計算結果見表2。

表2 原梁及加固后結構自振頻率 Hz

計算結果表明，各加固方案都使結構的橫向剛度有所提高，橫向一階和扭轉一階分別提高了10.1% ～14.3%和9.5% ～14.3%，豎向一階頻率降低僅為0.22%～0.67%，梁體的橫向剛度提高較大而豎向剛度降低很小。僅就橫向剛度而言，方案4的加固效果最好，然而，由于低高度梁的斜彎曲效應比普通高度梁要大，考慮梁體的整體工作性能，推薦使用加固方案5進行實橋的加固試驗。

由于加固中新增加了混凝土和鋼筋，這使得簡支梁跨中預壓應力減小，從而使結構的抗裂性下降，需對不同加固方案下的抗裂安全系數(shù)進行估算。原曲線梁的抗裂安全系數(shù)為1.308，下緣預壓應力1.21 MPa;原直線梁的抗裂安全系數(shù)為1.297，下緣預壓應力0.34 MPa。加固方案5中新增結構使跨中下緣應力增大0.211 MPa，曲線梁和直線梁抗裂安全系數(shù)約為1.257、1.237。

2.2 跨度32 m預應力混凝土簡支梁

32 m預應力鋼筋混凝土普通高度梁在大秦線上有著廣泛的應用，占全線橋梁的比例達55%，共有三種圖號:叁標橋2019、叁標橋2039和專橋2059。

選擇圖號為叁標橋2039的梁進行加固設計，該梁型在32 m梁中占52%。它全長32.6 m，采用T形截面，梁高2.8 m，在梁的兩端設有局部加厚區(qū)。單線線路由通過橫隔板相連的兩片梁組成，梁上包括端隔板共設9道橫隔板。

參考原200 km/h提速32 m簡支梁加固的科研成果，并考慮大秦線既有梁型的承載能力及重載運輸要求，盡可能減少新增混凝土的重量并使新增重量盡量靠近梁端，以避免跨中彎矩增加過多。在此基礎上提出并計算了4種加固方案，各方案均以加強梁端連接為主，同時對原梁的9道橫隔板進行加強，并在跨中區(qū)段橋面板下增設水平板以改善橋面的整體性。

加固后的橫隔板布置見圖2，圖2中1#～5#為原梁橫隔板，a～e為新增橫隔板位置，同時在梁端腹板變截面處新增水平連接板。各方案中橫隔板尺寸見表3。

圖2 32 m梁加固后橫隔板布置示意

表3 32 m簡支梁加固橫隔板擴大方案 m

上述各方案中 b，c橫隔板的寬度和位置稍有改變，1～3方案中是和原橫隔板連在一起的，方案4中為方便施工將b，c橫隔板與原橫隔板間隔5 cm;方案3中未加梁端橫向連接板是考慮該部位只能采用普通混凝土結構，若去掉該處連接則全梁新增連接均為預應力混凝土結構;方案2、3將梁端水平板改為上、下兩塊板是考慮該處為梁端預應力束彎起密集區(qū)域，位置擺放有一定困難。

根據(jù)以上提出的加固方案，建立有限元模型進行模態(tài)分析，得到原梁及不同加固方案結構的自振頻率，計算結果見表4。

表4 32 m簡支梁原梁及加固后結構自振頻率 Hz

計算結果表明，各加固方案都使結構的橫向剛度有所提高，橫向一階和扭轉一階分別提高了6.9% ～19.7%和4.7% ～15.0%，豎向一階頻率降低僅為0.76%～0.83%。各加固方案中方案4的加固效果最好，推薦使用該方案進行實橋的加固試驗。

原曲線梁的抗裂安全系數(shù)為1.238，設計活載作用下跨中下緣預壓應力0.411 MPa;原直線梁的抗裂安全系數(shù)為1.296，設計活載作用下跨中下緣預壓應力1.711 MPa。大秦線是運煤專用線，開行2萬t長大重載列車后，主要車型為 C80，軸重25 t，其余車型均不超過該軸重，同時線路上也無特種荷載通過，故分析加固后在25 t軸重荷載條件下結構的抗裂性。加固方案4中新增結構使跨中下緣應力增大0.280 MPa，曲線梁抗裂安全系數(shù)約為1.370;直線梁抗裂安全系數(shù)約為1.456，滿足要求。

3 中高圓形墩的加固

大秦線橋墩以圓端形、圓柱形和雙柱形為主，最大墩高50 m?；A為擴大基礎、樁基礎或沉井。

根據(jù)綜合試驗及補充動載試驗對墩高在17.6～34.1 m范圍內的28個圓形橋墩橫向自振頻率和墩頂橫向振幅的實測數(shù)據(jù)可以看出，墩高在17.6～24.6 m范圍內的單線中高圓形墩橫向動力性能較差，有必要對其進行加固，以確保列車安全運營。大秦線是雙線鐵路，需要根據(jù)單線橋墩的位置情況分別設計加固方案并進行模擬計算。

根據(jù)以往的加固經(jīng)驗，提出了以下幾類加固方案:橋墩采用部分圓錐體加固;雙線橋墩在墩身用一定尺寸的連接板連接;將托盤頂帽和墩身同時用連接板連接。

3.1 單線

主要采用擴大橋墩橫截面尺寸的方法，圓錐體加固可有效提高結構剛度，由于加固的目的主要是提高橫向自振頻率，同時為避免結構自重增加過大，考慮采用部分圓錐體進行加固。以黎河橋21號橋墩為例設計加固方案，由于該橋為后期增設雙線，所以上、下行橋墩中心連線與線路中心線并不垂直。取墩全高的0.6 h進行部分圓錐體加固，上部擴大0.25 m，底部分別擴大1.0 m，1.2 m，1.5 m，提出加固方案1～方案3。加固前及加固后結構形式如圖3所示。

圖3 單線橋墩加固前及加固后形式

橋墩加固前、不同加固方案中結構自振頻率見表5。

采用方案1能夠提供足夠的橫向剛度。

表5 單線橋墩自振頻率 Hz

3.2 上下線并行

可以采用部分圓錐體方案或連接板加固方案。部分圓錐體方案1～方案3中新增結構物的尺寸與單線橋墩相同。加固后結構自振頻率見表6。

表6 上下線并行橋墩自振頻率 Hz

連接板加固共提出以下4種方案:僅在墩身1/2高度處用矩形板連接;在墩身1/3及2/3高度處用矩形板連接;在墩身1/2高度處用啞鈴形板連接;托盤、頂帽連接同時墩身用矩形板連接。根據(jù)連接板的高度和厚度不同，共細化為10個加固方案。加固方案如圖4、表 7。

橋墩加固前、不同加固方案中結構頻率見表8。

通過有限元分析可以看出:啞鈴形連接板的加固方案與矩形連接板方案相比，雖新增的混凝土重量有所減少但是對提高頻率的優(yōu)勢并不明顯。上下兩處連接橋墩方案增加了施工量但加固效果與加固方案2接近。墩身、托盤頂帽連接方案在很大程度上提高了橋墩的整體性，雖然加固后一階頻率略有降低，但是二階及以上頻率優(yōu)于其它方案，同時大大提高了結構的抗扭剛度。而圓錐體加固方案雖然一階頻率提高較多，但是圓錐體模板的制作與加固部分混凝土的灌注存在較大難度，同時結構增加混凝土重量相對較大，不能保證全橋各橋墩加固后地基承載力均小于容許承載力。

圖4 連接板加固方案示意

表7 雙線橋墩采用連接板加固方案 m

表8 雙線橋墩采用連接板加固前后頻率 Hz

4 加固效果

加固后的動力性能試驗表明:20 m并置梁加固后，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?？缰袡M向振幅比加固前減小約50%，梁端最大橫向振幅減小約40%。測試的32 m梁由于上、下行之間的蓋板聯(lián)結作用較強，蓋板上道砟較厚，提高了梁體的橫向剛度，故動力性能試驗未給出實測值，豎向自振頻率降低約1%，跨中橫向振幅比加固前減小約30%，梁端最大橫向振幅減小約40%?？梢钥闯觯庸毯罅后w的整體性能有較大提高，加固效果良好。實測的橋墩屬于兩墩中心線與線路方向垂直區(qū)段，因此采用托盤和頂帽全部連接方案加固，加固后橫向自振頻率提高約60% ～70%，墩頂橫向振幅減小約50%，加固后橋墩的橫向剛度明顯改善，橋墩橫向自振頻率和墩頂橫向振幅滿足《橋檢規(guī)》的要求。

5 結論及建議

大秦線是重要的運煤通道，為保證運量大幅增長后列車的安全運營，有必要對橋梁結構進行加固。本文提出的加固方案能夠滿足提高結構剛度的要求。

在簡支梁加固中，除梁端位置外，其余新增橫隔板均有橫向預應力筋，可以保證新增結構有足夠的剛度和耐久性。對于20 m及以下并置梁，如果選用的是弧形支座或平板支座，應增加梁端限位裝置，以消除梁端振幅過大的影響，進一步提高梁體橫向剛度。

雙線橋墩墩帽間新增連接部分是普通鋼筋混凝土結構，為便于施工并避免長期運營后開裂，可以采用預應力結構，但施工難度和施工費用會相應增加。對于上、下行橋墩中心連線與線路中心線并不垂直的區(qū)段，采用連接板加固后，結構的振型不再垂直或平行于線路中心線，一階頻率變化不大;若采用部分圓錐體加固，需對加固體尺寸進一步優(yōu)化，以滿足地基承載力的要求，對于這種情況，還需進一步研究。

［1］李國豪.橋梁結構穩(wěn)定與振動［M］.北京:中國鐵道出版社，1996.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土結構設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］盧煒 李承君.大秦重載鐵路既有中高圓形橋墩加固方案的研究［J］.鐵道建筑，2008(4):17-19.

［4］鐵道科學研究院.大秦線年運量2億 t條件下橋梁結構加固和壽命評估試驗研究報告［R］.北京:鐵道科學研究院，2007.

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