蔡超勛（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081）

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鐵路重載運(yùn)輸條件下超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁加固效果試驗(yàn)研究

蔡超勛
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

摘要簡(jiǎn)述了一種32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的荷載調(diào)配式輔助鋼梁加固設(shè)計(jì)方案及施工工藝，通過(guò)加固過(guò)程的監(jiān)控試驗(yàn)及加固前后橋梁靜動(dòng)力性能試驗(yàn)，全面評(píng)估其加固效果。結(jié)果表明:輔助鋼梁與原梁共同工作性能良好，荷載調(diào)配式輔助鋼梁可承擔(dān)原梁30％～40％的恒載，分擔(dān)原梁近20％的活載；加固后原梁跨中截面下翼緣混凝土應(yīng)變、跨中撓度、豎向振幅、橫向振幅實(shí)測(cè)值均得以不同程度的降低，加固效果明顯；加固后的橋梁能滿足30 t軸重重載運(yùn)輸要求，可在超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁重載加固中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞重載線路；超低高度梁；輔助鋼梁；加固

國(guó)內(nèi)外重載運(yùn)輸實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，提高列車軸重、增加編組長(zhǎng)度是實(shí)現(xiàn)重載鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕夹g(shù)發(fā)展方向，美國(guó)、加拿大、澳大利亞等重載發(fā)達(dá)國(guó)家列車軸重集中在32. 5～35. 4 t，最大軸重已達(dá)40 t［1］。目前，我國(guó)既有重載鐵路最大軸重開(kāi)行25 t軸重、載重80 t級(jí)的煤炭專用敞車C80。為提高運(yùn)輸效率，某些線路擬通過(guò)對(duì)既有線路基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)化改造，開(kāi)行30 t及以上軸重的重載貨物列車。我國(guó)前期建設(shè)的鐵路在跨線地段及平原地區(qū)，為降低橋梁區(qū)段路堤填筑高度，保證橋下凈空要求，提高經(jīng)濟(jì)效益，采用了一些低（超低）高度梁。針對(duì)大軸重重載運(yùn)輸條件下低（超低）高度梁的重載適應(yīng)性及強(qiáng)化技術(shù)，我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了大量研究并取得了很多成果。文獻(xiàn)［2-3］對(duì)新建重載條件下橋梁設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［4］試驗(yàn)研究了30 t軸重下朔黃鐵路橋涵結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)；文獻(xiàn)［5］試驗(yàn)分析了30 t軸重重載貨車作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁動(dòng)力響應(yīng)；文獻(xiàn)［6］計(jì)算分析了32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁的重載適應(yīng)性和加固方案；文獻(xiàn)［7］對(duì)輔助鋼梁加固重載鐵路橋梁進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)分析。本文在這些研究的基礎(chǔ)上，介紹了一種32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的荷載調(diào)配式輔助鋼梁加固設(shè)計(jì)方案及加固施工工藝，通過(guò)加固過(guò)程的監(jiān)控試驗(yàn)及加固前后橋梁靜動(dòng)力性能試驗(yàn)，對(duì)其加固效果進(jìn)行全面的試驗(yàn)評(píng)估，形成了一種可推廣應(yīng)用的超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁的重載加固技術(shù)。

1　加固方案簡(jiǎn)介

為提高梁體的抗裂性、強(qiáng)度和豎向剛度，以滿足重載運(yùn)輸要求，經(jīng)加固設(shè)計(jì)方案比選，采用荷載調(diào)配式輔助鋼梁進(jìn)行加固。其設(shè)計(jì)思路是通過(guò)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，使輔助鋼梁與原超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁（以下簡(jiǎn)稱原梁）協(xié)同變形，共同受力；通過(guò)頂升預(yù)彎輔助鋼梁，使輔助鋼梁不僅要分擔(dān)列車活載，還要承受原梁的部分恒載，達(dá)到恒載調(diào)整、活載分配的目的，并充分利用輔助鋼梁自重小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

輔助鋼梁每片梁分為3段，采用工廠制造，并設(shè)置了66 mm的預(yù)拱度，單片輔助鋼梁寬0. 5 m，高1. 5 m，計(jì)算跨度為32 m，梁體長(zhǎng)度32. 6 m；鋼梁中心距原梁中心的橫向距離為0. 83 m，兩片鋼梁中心的橫向距離為3. 46 m。輔助鋼梁腹板厚度為24 mm，翼板厚度為36 mm。梁體加固平、立面圖及橫斷面布置情況見(jiàn)圖1、圖2。

在原梁跨中增設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土錨固橫梁，在原梁每片T梁的外側(cè)各增設(shè)1片工字形輔助鋼梁，3段輔助鋼梁現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接成型，并通過(guò)錨固橫梁與原梁聯(lián)結(jié)。輔助鋼梁與錨固橫梁聯(lián)結(jié)形成共同受力結(jié)構(gòu)后，在鋼梁支座附近位置頂升輔助鋼梁至目標(biāo)位置（為避免輔助鋼梁在頂升過(guò)程中失穩(wěn)，在其支點(diǎn)位置設(shè)置了橫向限位裝置），并安裝縱向活動(dòng)球型鋼支座和完成輔助鋼梁與原梁的其他豎向及橫向聯(lián)結(jié)，使輔助鋼梁與原梁形成組合結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載作用。

該加固方案已在某線一座跨度32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋重載改造中實(shí)施。

圖1　32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁加固平、立面（單位：mm）

圖2　32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁加固跨中及梁端截面（單位：mm）

2　加固效果評(píng)估試驗(yàn)設(shè)計(jì)

評(píng)估靜力試驗(yàn)內(nèi)容：①測(cè)試加固前后相同類型貨車作用下原梁動(dòng)力性能（跨中截面梁體應(yīng)變、撓度、橫向振幅、豎向振幅），以對(duì)梁體進(jìn)行綜合評(píng)估；②為評(píng)估加固施工頂升預(yù)彎輔助鋼梁能承擔(dān)多少原梁的恒載，測(cè)試加固過(guò)程中原梁跨中截面上下翼緣混凝土應(yīng)力及撓度；③為評(píng)估輔助鋼梁能分配多少原梁的活載，測(cè)試加固前后相同類型貨車作用下梁體跨中截面應(yīng)力及撓度；④為驗(yàn)證輔助鋼梁與原梁共同工作性能如何，測(cè)試加固后重載列車通過(guò)時(shí)輔助鋼梁及原梁跨中截面應(yīng)變及撓度。

在加固前后跨中截面應(yīng)變的測(cè)試中，為避開(kāi)加勁肋與橫隔板、橫向加固塊對(duì)局部受力測(cè)試結(jié)果的影響，統(tǒng)一選取跨中偏橋梁大里程方向0. 5 m處作為梁體應(yīng)變測(cè)試截面。

橋梁動(dòng)力性能評(píng)估時(shí)，測(cè)試貨車選用該線運(yùn)用時(shí)間最短的25 t軸重的C80；加固前后試驗(yàn)次數(shù)各取20次，加固前后測(cè)試貨物列車均隨機(jī)選取，兩組試驗(yàn)列車速度平均值不超過(guò)10 km/h；取20次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作對(duì)比。在試驗(yàn)評(píng)估時(shí)給出了少量的30 t軸重C96貨車的測(cè)試數(shù)據(jù)作為參考。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3. 1加固效果綜合評(píng)估

圖3為加固前后各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比；表1給出了加固前后20趟C80測(cè)試貨車通過(guò)時(shí)，各試驗(yàn)項(xiàng)目的平均值。通過(guò)輔助鋼梁加固，原梁跨中截面下翼緣混凝土應(yīng)變、跨中撓度、豎向振幅、橫向振幅實(shí)測(cè)值均降低15％以上，加固效果明顯。

圖3　荷載調(diào)配式輔助鋼梁加固前后原梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表1　加固前后各實(shí)測(cè)梁體響應(yīng)平均值對(duì)比

3. 2恒載調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

輔助鋼梁與原混凝土梁體在跨中0. 8 m范圍內(nèi)固結(jié)后，在輔助鋼梁兩端施加30. 5 t的頂升力再進(jìn)行支座安裝。頂升過(guò)程中對(duì)原混凝土梁跨中截面上、下緣混凝土應(yīng)力及撓度進(jìn)行了測(cè)試。輔助鋼梁頂升完成后，實(shí)測(cè)原梁跨中截面處梁體上拱6. 10 mm，原梁跨中截面下緣混凝土產(chǎn)生120×10- 6（4. 3 MPa）的壓應(yīng)變，上緣混凝土產(chǎn)生72×10- 6（2. 6 MPa）的拉應(yīng)變。

經(jīng)檢算，原梁恒載作用下跨中截面撓度為13. 80 mm，跨中截面混凝土下緣受拉應(yīng)力15. 8 MPa，上緣受壓應(yīng)力7. 3 MPa。

通過(guò)頂升施工，原梁恒載作用下跨中撓度降低44. 2％，跨中截面下緣拉應(yīng)力降低27. 2％，上緣壓應(yīng)力降低35. 6％，即輔助鋼梁承擔(dān)了原梁約30％～40％的恒載，達(dá)到了恒載調(diào)整的目的。

3. 3活載分配試驗(yàn)結(jié)果

加固前后在C80重載貨車作用下，原梁跨中截面下翼緣梁體應(yīng)變平均值分別為196×10- 6，165× 10- 6；跨中撓度平均值分別為17. 72，14. 25 mm。加固后，原梁跨中截面下翼緣應(yīng)變及跨中撓度均顯著降低，降低量分別為15. 9％和19. 6％。

在最理想的加固效果條件下，原梁與輔助鋼梁形成組合結(jié)構(gòu)，協(xié)同一致變形，活載按剛度進(jìn)行分配。在考慮原梁與輔助鋼梁形成的組合結(jié)構(gòu)條件下（原梁與輔助梁質(zhì)心一致），原梁與輔助鋼梁的剛度比為3. 54，即輔助鋼梁可分配原梁22％的活載。

實(shí)測(cè)加固后原梁跨中撓度及跨中截面下翼緣應(yīng)變降低近20％，略低于理論計(jì)算值，這與加固后組合結(jié)構(gòu)質(zhì)心略低于原梁質(zhì)心、加固前后測(cè)試的C80貨車裝載偏差、組合結(jié)構(gòu)變形不完全一致等因素有關(guān)。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，輔助鋼梁分擔(dān)了原梁約20％的活載，與原梁形成組合結(jié)構(gòu)提高了原梁約20％的剛度，達(dá)到了提高原梁剛度、分配原梁活載的目的。

3. 4共同工作性能試驗(yàn)結(jié)果

加固后在C80重載貨車作用下，輔助鋼梁與原梁跨中截面處梁體撓度平均值均為14. 2 mm，跨中截面應(yīng)變平均值分別為132×10- 6和164×10- 6。輔助鋼梁與原梁跨中截面撓度基本一致，同一截面高度處應(yīng)變有一定差異，這與測(cè)試截面輔助鋼梁與原梁無(wú)連接，活載通過(guò)跨中截面橫向連接塊在原梁與輔助鋼梁間的傳遞衰減等有關(guān)。雖輔助鋼梁與原梁變形并不完全一致，但從活載分配試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩者能協(xié)同承受活載作用，橫向連接處能協(xié)同變形，輔助鋼梁與原梁共同工作性能良好。

3. 5加固后30 t軸重貨車運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)

原梁加固后，測(cè)試了12趟30 t軸重C96試驗(yàn)貨車，以評(píng)估加固后橋梁在30 t軸重重載貨車作用下的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。試驗(yàn)貨車按60，70，75，80 km/h 4種速度進(jìn)行試驗(yàn)，每速度級(jí)試驗(yàn)3次，試驗(yàn)貨車采用SS4機(jī)車牽引，牽引總重約為54 000 kN。

實(shí)測(cè)梁體豎向振幅、橫向振幅、跨中撓度及下緣混凝土應(yīng)變的實(shí)測(cè)最大值分別為0. 90 mm，0. 49 mm，15. 30 mm和181×10- 6。梁體跨中撓度及應(yīng)變的實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖4。各實(shí)測(cè)結(jié)果均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的相關(guān)要求，加固后的橋梁可滿足30 t軸重重載運(yùn)輸要求。

圖4　加固后30 t軸重實(shí)測(cè)原梁應(yīng)變及撓度

4　結(jié)論

采用荷載調(diào)配式輔助鋼梁加固32 m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁方案，輔助鋼梁與原梁共同工作性能良好。荷載調(diào)配式輔助鋼梁可承擔(dān)原梁30％～ 40％的恒載，分擔(dān)原梁近20％的活載；加固后原梁跨中截面下翼緣混凝土應(yīng)變、跨中撓度、豎向振幅、橫向振幅實(shí)測(cè)值均降低15％以上，加固效果明顯。加固后的橋梁能滿足30 t軸重重載運(yùn)輸要求，可在超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁重載加固中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任審編孟慶伶）

Experimental Study on Reinforcing Effect of Ultra-low Height Prestressed Concrete Girder Under Heavy Haul Railway Transport

CAI Chaoxun
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractAuxiliary steel beams were used to strengthen a simply supported 32 m ultra-low height prestressed concrete girder. T he design and construction were introduced in this paper. Its reinforcing effect was evaluated through experimental tests during construction. Both static and dynamic responses before and after construction were analyzed. T he results show that the auxiliary steel beams effectively distribute dead load by 30％～40％，and 20％ live load. W ith reinforcement，the test values of concrete strain at the bottom flange in the mid-span，the deflection at the mid-span，the vertical and transverse vibration are deduced. T he reinforced bridge meets the strength requirement for heavy haul transport with 30 t axil loads. T his reinforcement technology may be widely applied.

Key wordsHeavy haul railway；Ultra-low height girder；Auxiliary steel beam；Reinforcement

中圖分類號(hào)U445. 7+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 02

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0007-04

收稿日期：2016-02-15；修回日期：2016-04-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2013BAG20B00）

作者簡(jiǎn)介：蔡超勛（1982—），男，助理研究員，碩士。