羅慧剛

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州　062350)

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重載鐵路并置T梁橫向加固運營性能研究

羅慧剛

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州062350)

摘要：隨著我國既有鐵路擴能運輸?shù)膶嵤?，運營列車整列載運量和單列軸重的增加，既有鐵路梁體橫向剛度偏小引起橋梁振幅過大、沖擊振動加劇等，嚴(yán)重影響了鐵路橋梁的安全運營。以朔黃鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁為研究對象，以不同軸重運營列車車輛輪對的蛇行波為激振源，采用理論分析、現(xiàn)場實測方法，研究列車通過橫隔板加固聯(lián)結(jié)后橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振幅的響應(yīng)過程和變化規(guī)律，評價梁體的加固效果，為重載鐵路并置梁的加固研究和維護管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；并置T梁；加固研究；橫向振動試驗

0引言

鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈，隨著鐵路重載的不斷發(fā)展，單元列車軸重的加大、列車牽引質(zhì)量的提升、既有線路的大規(guī)模提速以及行車密度的不斷增加，鐵路運力和經(jīng)濟效益得到了顯著提高[1]。但是，作為鐵路線路的重要組成部分，橋梁遭受到的沖擊振動越來越大，嚴(yán)重時必將危及鐵路行車安全，是影響鐵路運營安全的重要因素[2]。結(jié)合我國鐵路線路重載運營狀況，面對運量逐年增加的局面，橋梁陸續(xù)出現(xiàn)了諸多病害，主要表現(xiàn)為：(1)橫向無連接的鋼筋混凝土并置梁，由于截面不對稱、兩片梁之間剛度差異導(dǎo)致的橫向剛度不足和荷載偏心，梁的橫向振動頻率偏小、振幅偏大，行車中出現(xiàn)較大晃動；(2)跨徑8～12 m的鋼筋混凝土梁橫向和縱向裂縫現(xiàn)象嚴(yán)重，跨徑16～32 m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁支座附近斜裂縫現(xiàn)象開始凸顯，重車線劣化速度加快，動撓度超限；(3)圓柱形墩、雙柱墩的橫向剛度偏小，列車作用下橫向振幅較大；(4)支座出現(xiàn)多種病害，其中板式橡膠支座出現(xiàn)橡膠板開裂和脫空現(xiàn)象，搖軸支座的縱向位移偏大超過規(guī)定值、定位銷剪斷現(xiàn)象嚴(yán)重，弧形支座錨拴折斷情況時有發(fā)生；(5)擴大基礎(chǔ)橋梁墩臺存在橫向剛度不足，不均勻沉降導(dǎo)致橋墩傾斜等問題。本文主要研究重載列車對并置梁的影響，并以朔黃鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橫向加固為例，研究橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加對并置梁橫向振動的影響。

1研究背景

我國早期修建的T形梁橋，設(shè)計荷載較低，一般沒有設(shè)置橫向連接構(gòu)造或是設(shè)置的橫向連接比較薄弱。并置的梁體在列車荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)截面不對稱，空間整體工作性能差，橫向剛度弱，造成梁體內(nèi)外側(cè)變形不一致，梁體產(chǎn)生斜彎曲變形[3]。同時，車輛轉(zhuǎn)向架的蛇形運動激勵又將引起橋梁橫向振動的加劇，從而導(dǎo)致橋梁橫向振動加劇，橫向振幅嚴(yán)重超限。朔黃鐵路作為我國西煤東運的重要數(shù)字化重載鐵路，2014年運量已經(jīng)超過3億t，并且隨著C80-2萬t牽引列車和30 t大軸重單元列車運營在即的長遠發(fā)展前景，對橋梁結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。在既有運營列車作用下，并置梁橫向振動問題日益突出，為保證列車的安全運營，需要對并置梁進行橫向加固，目前對既有并置梁橫向加固主要是進行橫向聯(lián)結(jié)加固，本文主要研究橫向聯(lián)結(jié)的數(shù)量對并置梁橫向振動的影響。

2重載運輸條件下并置梁橫向加固分析

2.1有限元模型

利用MIDAS/Civil有限元軟件分析并置T梁的橫向振動。計算模型依據(jù)32 m并置預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁通用圖(專橋2059)建立，采取不同的橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量來計算對比梁體橫向振幅的大小，橫向聯(lián)結(jié)依次為2個(兩側(cè)梁端)、3個、5個、7個、9個，通過調(diào)整約束自由度剛度來模擬支座對梁體的約束效果。

圖1　32 m并置T梁有限元模型及橫聯(lián)數(shù)量示意圖

2.2列車荷載

2.2.1朔黃鐵路運營列車荷載圖式

朔黃鐵路為運煤專線，線路現(xiàn)行列車主要是C64、C70、C80等3種型號運煤敞車，軸重分別為21 t、23 t、25 t，隨著擴能運輸發(fā)展，軸重30 t的KM98已經(jīng)開始試運行。C64列車車長為13 430 mm，車輛定距8 700 mm，軸距1 750 mm，軸重為210 kN；C70列車車長為13 976 mm，車輛定距9 210 mm，軸距1 800 mm，軸重為230 kN；C80列車車長為12 000 mm，車輛定距8 200 mm，軸距1 830 mm，軸重為250 kN；KM98列車車長為14 330 mm，車輛定距10 530 mm，軸距1 860 mm，軸重為300 kN。這4種列車荷載的荷載圖示如圖2和表1所示。

圖2　朔黃鐵路運營列車荷載圖式(2輛)

車輛型號軸重F/kNl1/mml2/mml3/mmC64210175069003030C70230180074102930C80250183063701970KM98300186086701500

2.2.2列車橫向搖擺力荷載圖式

圖3　動力分析時簡化的列車荷載圖

橋上列車橫向搖擺力是指任一時刻橋上所有車輛輪對對橋梁的側(cè)向水平?jīng)_擊力，它包括各車輛輪對對鋼軌的橫向壓力與側(cè)傾力，列車在橋上運行的任一瞬時，輪對橫向壓力由車輛車體、轉(zhuǎn)向架、輪對的側(cè)向水平慣性力引起，這些慣性力同時引起輪對對鋼軌的側(cè)傾力(豎向作用)[4]。鐵路橋梁動力學(xué)中通過測量得出直線橋梁上的車輪水平橫向力在10～30 kN范圍內(nèi)，均值為24 kN。就車輪橫向力對豎向力的依賴關(guān)系進行了統(tǒng)計分析，表明這種依賴關(guān)系是很大的，結(jié)果也確證水平橫向力Fs大約為豎向輪力F的1/3[5]。橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅是評價橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度的重要指標(biāo)，為了能夠模擬與現(xiàn)實接近的并置梁動力性能，如圖3和表2所示為動力分析時簡化的列車荷載(設(shè)計橫向搖擺力為100 kN)。在進行有限元分析時，為與實際運營速度保持一致，分別使用C64、C70、C80和KM98型列車和設(shè)計橫向搖擺力以60 km/h的速度通過橋梁。

表2　動力分析時列車橫向搖擺力荷載表

2.3有限元分析結(jié)果

圖4　將車輛單輪荷載近似模擬的三角形荷載函數(shù)

由于車輛荷載單輪作用在節(jié)點時是個瞬間作用后隨即消失的一種沖擊荷載，所以在計算分析時將其近似地模擬為最大值為單輪橫向搖擺力的三角形荷載函數(shù)。如圖4所示，假設(shè)單輪車輛荷載在t0時刻開始施加到節(jié)點上，經(jīng)過t1-t0時間后達到最大值，又經(jīng)過t2-t1時間后該節(jié)點上的力降為0，其中t0和t1之間以及t1和t2之間的時間差(假設(shè)兩個時間差相等)由車輛的速度和所建模型的節(jié)點間距來決定。

按照相同車速選擇荷載圖式作為計算荷載函數(shù)。本文計算了32 m簡支預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁橋在不同數(shù)量橫向聯(lián)結(jié)時，設(shè)計橫向搖擺力和運營列車作用橫向搖擺力對梁體產(chǎn)生的橫向振幅的變化情況，不同橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的并置T梁在橫向搖擺力作用下橫向振幅最大值，并與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[6](以下簡稱《橋檢規(guī)》)規(guī)定的橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度通常值和行車安全限值進行對比，數(shù)據(jù)見表3(《橋檢規(guī)》橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅通常值為2.54 mm,安全限值為3.56 mm)。

表3　并置T梁不同數(shù)量橫聯(lián)動力分析時橫向振幅最大值表

由表3可以看出：(1)隨著列車軸重的增加，橋跨跨中橫向振幅呈增大趨勢；(2)隨著橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加，同一列車同一速度下橋跨跨中橫向振幅呈減小趨勢；(3)隨著橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的不斷增加，橋跨跨中橫向振幅減小趨勢逐漸減緩，數(shù)值逐漸接近，說明橫向聯(lián)結(jié)達到一定的數(shù)量之后，橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加對橫向剛度影響逐漸減弱；(4)當(dāng)32 m并置T梁橫聯(lián)數(shù)量為3個時，運營列車C64、C70和C80作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅小于《橋檢規(guī)》通常值，KM98和設(shè)計橫向搖擺力作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅大于《橋檢規(guī)》通常值，且設(shè)計橫向搖擺力作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅大于《橋檢規(guī)》安全限值；運營列車和設(shè)計橫向搖擺里作用下，至少設(shè)置5個橫聯(lián)，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅小于《橋檢規(guī)》通常值。

332 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橫向振動試驗

橋跨結(jié)構(gòu)的跨中橫向振幅是反應(yīng)橋跨結(jié)構(gòu)橫向振動性能的主要參數(shù)，因此在測試主梁橫向動力性能時主要測試跨中橫向振幅等振動參數(shù)。選取朔黃鐵路菘楊岔河大橋、左線跨京九鐵路特大橋、子牙新河特大橋、南運河特大橋、吳官屯大橋五座橋梁的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁，對其橫向聯(lián)結(jié)加固前(3個橫聯(lián))和加固后(9個橫聯(lián))進行橫向振動試驗，得到橋梁在運營荷載作用下梁跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅，并與《橋檢規(guī)》規(guī)定的相關(guān)參數(shù)進行比較，分析結(jié)構(gòu)加固前后在不同車輛作用下的橫向振幅。

朔黃鐵路菘楊岔河大橋(128#橋)，中心里程K269+642，橋全長165.41 m，雙線，孔跨樣式：(1×24 m+4×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用盆式橡膠支座，測試孔跨為第2孔，梁體已進行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為雙柱式橋墩，橋墩基礎(chǔ)為沉井基礎(chǔ)。

朔黃鐵路左線跨京九鐵路特大橋(202#橋)，中心里程K411+966，橋全長2 058.16 m，單線，孔跨樣式：(39×32 m+2×24 m+22×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用鋼支座，測試孔跨為第29孔，梁體已進行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為矩形板式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

朔黃鐵路子牙新河特大橋(219#橋)，中心里程K460+602，橋全長3 479.59 m，單線，孔跨樣式：(106×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用盆式橡膠支座，測試孔跨為第11孔，梁體已進行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為單圓柱橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

朔黃鐵路南運河特大橋(243#橋)，中心里程K499+979，橋全長3 571.30 m，單線，孔跨樣式：(25×32 m+2×24 m+2×32 m+1×64 m+57×32 m+3×24 m+19×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和鋼桁梁，全橋預(yù)應(yīng)力混凝土T梁均采用盆式橡膠支座，64 m鋼桁梁采用鋼支座，測試孔跨為第28孔，梁體已進行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為圓端形板式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

朔黃鐵路吳官屯大橋(245#橋)，中心里程K504+042，橋全長496.20 m，單線，孔跨樣式：(13×32 m+1×24 m+1×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用盆式橡膠支座，測試孔跨為第12孔，梁體已進行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為矩形板式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

圖5　32 m預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁橫向加固示意圖(單位：mm)

3.1橫向聯(lián)結(jié)加固方式

由于T形截面不對稱，聯(lián)結(jié)較弱或無橫隔板聯(lián)結(jié)的并置梁處于斜彎曲受力狀態(tài)，每片梁的兩側(cè)應(yīng)力不均，而且在動荷載作用下，兩片梁的振動也不同步。在提速改造中，有必要增設(shè)橫隔板，將兩片梁聯(lián)成整體，消除上述影響。分片T形梁的橫向聯(lián)接方式一般采用Φ25 mmⅣ級精軋螺紋鋼筋作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，在橫隔板外側(cè)穿過兩片梁的腹板，進行預(yù)應(yīng)力張拉錨固，將并置的兩片梁聯(lián)結(jié)成整體，如圖5所示。

3.2實測結(jié)果

當(dāng)不同車輛荷載通過五座測試橋梁試驗孔跨時，車輛運營速度基本位于55～65 km/h之間，因此將其視為一個速度區(qū)間，試驗橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅數(shù)據(jù)見表4。

表4　試驗孔跨并置T梁橫向聯(lián)結(jié)加固后橫向振幅最大平均值表

由表4中數(shù)據(jù)可得：(1)試驗孔跨并置T梁橫向聯(lián)結(jié)加固前，結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅普遍較大，試運營列車C80作用下，跨中橫向振幅有大于《橋檢規(guī)》通常值情況出現(xiàn)；(2)試驗孔跨并置T梁通過橫向聯(lián)結(jié)加固后，跨中橫向振幅明顯減小，減小了70%左右，小于《橋檢規(guī)》規(guī)定的通常值，表明加固后橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度能夠滿足運營要求。

4結(jié)論

鐵路橋梁承受重型活載，尤其是重載鐵路，隨著軸重和行車速度的提高，橋梁不僅要有足夠的強度和豎向剛度，還要有良好的橫向剛度，橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅能直接反應(yīng)橋跨結(jié)構(gòu)的橫向剛度。

(1) 并置T梁橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅不僅僅與列車軸重有關(guān)系，且與并置梁之間橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量有直接關(guān)系。在提速改造中，分片式簡支梁橫隔板缺少或由薄弱引起的斷裂問題嚴(yán)重影響橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振動。

(2)通過理論計算32 m并置T梁不同數(shù)量的橫向聯(lián)結(jié)對橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅的影響可以得出，通過橫向聯(lián)結(jié)能夠提高橋跨結(jié)構(gòu)的橫向剛度，且隨著橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加，橫向剛度的增加趨勢變緩，當(dāng)完好聯(lián)結(jié)數(shù)量為5個以上時，橋梁的橫向剛度能夠滿足列車運營要求。

(3)通過對朔黃鐵路32 m并置T梁橫向聯(lián)結(jié)加固前后的橫向振動試驗可以得出，加固后橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅約為加固前的30%左右，橫向剛度提升較多，滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定的通常值和安全限值及運營要求， 32 m并置T梁采用該工藝進行橫向聯(lián)結(jié)加固效果較好。

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Study on Operation Performance of Transversely Reinforced Heavy Load Railway Juxtaposition T-Beams

Luo Huigang

(The Development Co. Ltd. of the Shuo-Huang Railway, Cangzhou 062350, China)

Abstract:With the implementation of heavy load railway transportation and the increasing of the entire train operating capacity and single axle load, the transverse amplitude of the existing railway girder is too large and the impact vibration is increased due to too small stiffness, seriously affecting the safe operation of the railway bridge. This paper takes the 32 m prestressed concrete juxtaposition of T-beam of Shuo-Huang Railway as the research object, by using the test hunting curves of wheel set of the train as excitation, theoretical analysis and the field measurement method is adopted to study the transverse amplitude response process and the change rule of the train passing through the the bridge span structure with horizontal clapboard reinforcement connection, and assess the strengthening effect of the girder, and provide scientific basis for strengthening and maintenance management research of heavy haul railway juxtaposition beam.

Key words:heavy railway; the juxtaposition of T beam; reinforcement study; vibration experiment

中圖分類號：U443

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-0373(2016)01-0020-05

作者簡介：羅慧剛(1975-)，男，碩士，高級工程師，主要從事交通運輸工程專業(yè)的研究。E-mail: zhouruich@163.com

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃(2012G011-A-1)

收稿日期：2015-03-17責(zé)任編輯:車軒玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.04

羅慧剛.重載鐵路并置T梁橫向加固運營性能研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(1):20-24.