李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

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重載運(yùn)輸條件下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁橫向加固方法研究

李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

隨著我國(guó)重載運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)發(fā)展，列車(chē)編組增加，車(chē)輛軸重增大，運(yùn)營(yíng)密度增大，現(xiàn)役橋梁出現(xiàn)橫向振動(dòng)過(guò)大危及行車(chē)安全的現(xiàn)象。本文以朔黃鐵路中比重較大的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁+雙線(xiàn)分離式橋墩+擴(kuò)大基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式為研究對(duì)象，采用有限元分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)增加T梁橫向聯(lián)接剛度和橋墩橫向剛度的加固效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：僅增加T梁橫向連接剛度，使橋跨結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)得到抑制，僅增加橋墩橫向剛度，使橋跨和橋墩橫向振動(dòng)均得到有效抑制，且對(duì)橋跨橫向振動(dòng)抑制效果優(yōu)于增加T梁橫向連接剛度，采取同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的方法對(duì)橋跨橫向振動(dòng)抑制效果最優(yōu)，對(duì)橋墩橫向振動(dòng)抑制效果略?xún)?yōu)于僅增加橋墩橫向剛度。

重載運(yùn)輸；橫向振動(dòng)；橋梁加固方法；運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)

0 引言

重載運(yùn)輸由于運(yùn)能大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)受到世界各國(guó)鐵路運(yùn)輸部門(mén)的青睞，并將成為未來(lái)鐵路貨運(yùn)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。朔黃鐵路作為我國(guó)西煤東運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字化重載鐵路，年運(yùn)量已經(jīng)突破3億t，隨著2萬(wàn)t擴(kuò)能改改造完成及30 t軸重列車(chē)開(kāi)行，對(duì)全線(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全提出了更高的要求。調(diào)研發(fā)現(xiàn)現(xiàn)役橋梁除“專(zhuān)橋(01)2051、專(zhuān)橋(01)2011、朔黃橋通-18”3個(gè)圖號(hào)的梁型橫向連接含預(yù)應(yīng)力外，其余圖號(hào)梁型存在并置梁橫向連接不足，梁體受力不均等現(xiàn)象，下部分離式橋墩橫向剛度不足，隨著運(yùn)能增加、軸重增大，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中部分橋梁梁跨結(jié)構(gòu)、墩頂?shù)臋M向振幅明顯偏大，超過(guò)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中的通常值，對(duì)線(xiàn)路運(yùn)輸能力造成很大影響。為此本文以朔黃鐵路跨京九鐵路特大橋(150#橋)為研究對(duì)象，提出了僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度、以及同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的3種加固措施。通過(guò)有限元模擬分析，對(duì)比3種加固方法對(duì)結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)的抑制情況，對(duì)3種加固方法進(jìn)行優(yōu)選，并結(jié)合加固前后對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)加固方法進(jìn)行再次論證分析，為今后類(lèi)似橋梁病害分析及加固處理提供參考。

1 工程背景

1.1 橋梁簡(jiǎn)介

朔黃鐵路跨京廣鐵路特大橋(150#橋)，中心里程K322+965，全橋長(zhǎng)1 300.92 m，設(shè)計(jì)為雙線(xiàn)上下行分離式，孔跨樣式：(1×20 m+1×24 m+38×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中上行線(xiàn)部分孔跨出現(xiàn)跨中及墩頂橫向振幅過(guò)大，超過(guò)《橋梁檢定規(guī)范》限值的現(xiàn)象，為降低跨中及墩頂橫向幅，增加橋梁的橫向剛度，采取同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的方法對(duì)橋梁進(jìn)行加固。為驗(yàn)證加固效果，選取該橋第20孔，19#、20#墩為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行動(dòng)力性能測(cè)試，分別測(cè)試其加固前后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。第20孔上部結(jié)構(gòu)為32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，19#、20#墩均為分離式矩形板式墩，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

1.2 增加T梁橫向連接剛度措施

為保證梁體橫向連接剛度，采用預(yù)應(yīng)力板對(duì)橫隔板進(jìn)行加固，具體加固措施為：梁端1#橫隔板處上下各加一塊鋼筋混凝土板，板寬1.2 m，厚0.35 m。距梁端3 m處加含4束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬1.1 m，板厚0.31 m；2#橫隔板加寬0.38 m，并在上下變截面處各加1束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋；3#、4#橫隔板梗肋處各加含4束預(yù)應(yīng)力鋼筋的水平板，板寬1.4 m，厚0.31 m；5#橫隔板梗肋處加含2束橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋水平板，板寬1.0 m，厚0.31 m。加固前橫隔板布置如圖1(a)所示，加固后橫隔板布置圖如圖1(b)所示。

圖1 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橫隔板布置圖(單位：mm)

1.3 橋墩加固措施

圖2 加固前后橋墩正立面圖(單位：mm)

加固前橋墩為分離式矩形板式墩，如圖2(a)所示，墩身橫向?qū)挾葹?.0 m，為增加橋墩橫向剛度，采用將上下行單線(xiàn)矩形板式墩通過(guò)鋼筋混凝土連接為雙線(xiàn)矩形板式墩，加固后橋墩如圖2(b)所示。加固前先將原橋墩內(nèi)側(cè)混凝土鑿除并植入鋼筋，將加固部位鋼筋籠與植入原橋墩鋼筋進(jìn)行焊接連接，采用C30混凝土進(jìn)行澆筑。

2 有限元分析

橋梁結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)特性除受結(jié)構(gòu)自身剛度和質(zhì)量影響外還與外界激勵(lì)荷載有關(guān)[2-3]，對(duì)重載鐵路而言，外界激勵(lì)荷載主要為重載列車(chē)的蛇形運(yùn)動(dòng)，當(dāng)重載列車(chē)的蛇形運(yùn)動(dòng)頻率接近或等于結(jié)構(gòu)橫向自振頻率時(shí)，會(huì)引起共振，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅最大，對(duì)行車(chē)安全最不利[4]。車(chē)輛的蛇形運(yùn)動(dòng)頻率與列車(chē)行駛速度和蛇形運(yùn)動(dòng)半波長(zhǎng)有關(guān)，其計(jì)算公式為

式中，v為列車(chē)行駛速度；ls為列車(chē)蛇形運(yùn)動(dòng)半波長(zhǎng)。

2.1 有限元模型介紹

本文利用MIDAS/Civil有限元軟件分別建立了橋梁結(jié)構(gòu)加固前、僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度、及同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度等4種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的有限元計(jì)算模型，模擬計(jì)算C80重載列車(chē)以不同速度通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)特性，統(tǒng)計(jì)對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)各方法加固效果進(jìn)行分析。加固前結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖3所示，同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度后結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖3 橋梁加固前有限元計(jì)算模型圖

圖4 墩梁均加固后有限元計(jì)算模型圖

有限元計(jì)算模型中采用梁?jiǎn)卧M橋墩和梁，模型中采用彈性連接模擬支座，在橋梁固定端采用約束SDx、SDy、SDz3個(gè)方向的彈性連接，在活動(dòng)端采用約束SDx、SDz兩個(gè)方向的彈性連接，彈性連接剛度按盆式橡膠支座的實(shí)際特性選取。采用實(shí)體單元模擬擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用面彈性支撐約束基礎(chǔ)底面SDx、SDy、SDz方向的平動(dòng)自由度，在橫隔板加固位置添加過(guò)預(yù)應(yīng)力，模擬橫隔板預(yù)應(yīng)力加固，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力為1 350 MPa。

2.2 模型計(jì)算荷載

重載列車(chē)通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用主要包括豎向荷載和橫向搖擺力。列車(chē)輪對(duì)橫向壓力由車(chē)輛車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)的側(cè)向水平慣性力引起，這些慣性力同時(shí)引起輪對(duì)對(duì)鋼軌的側(cè)傾力(豎向作用)[5]。鐵路橋梁動(dòng)力學(xué)中通過(guò)測(cè)量得出直線(xiàn)橋梁上的車(chē)輪水平橫向力在10～30 kN范圍內(nèi)，均值為24 kN。就車(chē)輪橫向力對(duì)豎向力的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，表明這種依賴(lài)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[6]。

朔黃鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，目前朔黃鐵路重載列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度大部分在55～75 km/h，為了分析加固前后列車(chē)行駛速度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)的影響，有限元分析過(guò)程中，通過(guò)定義不同的時(shí)程函數(shù)模擬了C80重載列車(chē)分別以55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)。動(dòng)力分析時(shí)C80列車(chē)簡(jiǎn)化荷載如圖5所示。

圖5 動(dòng)力分析時(shí)C80列車(chē)簡(jiǎn)化荷載圖

2.3 有限元分析結(jié)果

C80重載列車(chē)以不同速度通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，橋梁加固前、僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度以及同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩剛度四種狀態(tài)，跨中橫向振幅計(jì)算值統(tǒng)計(jì)如表1所示，跨中橫向振幅計(jì)算值與列車(chē)行駛速度關(guān)系如圖6所示。

表1 加固前后橋跨跨中橫向振幅計(jì)算值統(tǒng)計(jì)表 mm

圖6 跨中橫向振幅計(jì)算值與列車(chē)行駛速度關(guān)系圖

從表1和圖6中數(shù)據(jù)可以看出：橋梁加固前跨中C80列車(chē)通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)跨中最大橫向振幅計(jì)算值為2.81 mm，超過(guò)《橋梁檢定規(guī)范》中安全限值(2.54 mm)的要求，僅增加T梁橫向連接剛度后，跨中橫向最大振幅值計(jì)算值為2.48 mm，與加固前相比降低11.7%；僅增加橋墩橫向剛度后跨中橫向振幅為2.15 mm，與加固前相比降低23.5%；采取同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度后跨中橫向振幅為1.92 mm，與加固前相比降低31.7%。與同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度相比，僅增加T梁橫向連接剛度可以達(dá)到37%的加固效果，僅增加橋墩橫向剛度可以達(dá)到74%的加固效果。

C80重載列車(chē)以不同速度通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，4種結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，墩頂橫向振幅計(jì)算值統(tǒng)計(jì)如表2所示，墩頂橫向振幅計(jì)算值與列車(chē)行駛速度關(guān)系如圖7所示。

表2 加固前后墩頂橫向振幅計(jì)算值統(tǒng)計(jì)表 mm

圖7 墩頂橫向振幅與結(jié)構(gòu)狀態(tài)關(guān)系圖

從表2和圖7中數(shù)據(jù)可以看出：橋梁加固前C80列車(chē)通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)墩頂最大橫向振幅計(jì)算值為1.08 mm，超過(guò)《橋梁檢定規(guī)范》中安全限值(0.81 mm)的要求，僅增加T梁橫向連接剛度后，墩頂橫向振幅最大計(jì)算值為1.02 mm，與加固前相比降低5.6%；僅增加橋墩橫向剛度后，墩頂橫向振幅為0.74 mm，與加固前相比降低31.5%；采取同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度后，墩頂橫向振幅為0.60 mm，與加固前相比降低44.5%。與同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度相比，僅增加T梁橫向連接剛度可以達(dá)到12.5%的加固效果，僅增加橋墩橫向剛度可以達(dá)到70.8%的加固效果。

3 運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)分析

結(jié)構(gòu)的橫向振幅直接反映結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)特性，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的跨中橫向振幅通常值，安全限值，墩頂橫向振幅通常值均有規(guī)定。

試驗(yàn)中采用SS4+55C64列車(chē)作為試驗(yàn)編組列車(chē)，分別以速度60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h和80 km/h通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)，測(cè)試中在跨中及墩頂位置布置動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)采集列車(chē)通過(guò)時(shí)跨中及墩頂橫向振動(dòng)參數(shù)，將加固前與同時(shí)增加T梁橫向連接剛度后測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中有關(guān)限值進(jìn)行對(duì)比，分析加固效果。加固前后20孔跨中橫向振幅實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3所示。

表3 加固前后20孔跨中橫向振幅統(tǒng)計(jì)表 mm

由表3中數(shù)據(jù)可知，編組列車(chē)荷載作用下加固前20孔跨中橫向振幅最大值為2.96 mm，對(duì)應(yīng)列車(chē)行駛速度為70 km/h，超過(guò)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定通常值(2.54 mm)的要求，加固后20孔跨中最大橫向振幅為1.69 mm，對(duì)應(yīng)列車(chē)行駛速度為75 km/h，與加固前相比，跨中橫向振幅減小43.1%，共振速度提高了5 km/h。加固前后19#墩、20#墩墩頂橫向振幅實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4所示。

表4 加固前后墩頂橫向振幅統(tǒng)計(jì)表 mm

由表4中數(shù)據(jù)可知，編組列車(chē)荷載作用下加固前，19#墩墩頂橫向振幅最大實(shí)測(cè)值為1.21，對(duì)應(yīng)列車(chē)行駛速度為70 km/h，超過(guò)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定安全限值(0.82 mm)的要求，加固后墩頂橫向振幅最大實(shí)測(cè)值為0.79 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求，對(duì)應(yīng)列車(chē)行駛速度為75 km/h，加固后19#墩墩頂橫向振幅降低34.7%。20#墩墩頂橫向振幅最大實(shí)測(cè)值為1.15，對(duì)應(yīng)列車(chē)行駛速度為70 km/h，超過(guò)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定安全限值(0.77 mm)的要求，加固后墩頂橫向振幅最大實(shí)測(cè)值為0.73 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求，對(duì)應(yīng)列車(chē)行駛速度為75 km/h，加固后20#墩墩頂橫向振幅降低36.5%。

4 結(jié)論

隨著重載運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，既有重載鐵路橋梁出現(xiàn)橋跨及橋墩橫向剛度不足而導(dǎo)致橋跨橫向晃動(dòng)過(guò)大，影響行車(chē)安全，本文以朔黃鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和分離式矩形板式墩為研究對(duì)象，提出僅增加T梁橫向連接剛度、僅增加橋墩橫向剛度、同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度的3種加固方法，通過(guò)有限元模擬分析3種加固方法加固效果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得如下結(jié)論：

(1)就降低跨中橫向振幅而言，3種加固方法中，同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度加固效果最佳，增加橋墩橫向剛度的加固方法優(yōu)于采取僅增加T梁橫向連接剛度的加固方法。

(2)就控制墩頂橫向振幅而言，3種加固方法中，同時(shí)增加T梁橫向連接剛度和橋墩橫向剛度加固效果略?xún)?yōu)于增加橋墩橫向剛度的加固效果，僅增加T梁橫向連接剛度的加固方法對(duì)墩頂橫向振幅抑制效果不明顯。

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Analysis of Reinforcement Method for 32 m Prestressed Concrete T-beams Under Heavy-load Transportation

Li Baolong

(Development Co. Ltd. of Shuo-Huang Railway, Suning 062350, China)

With the sustainable development of overload transportation in our country, the increases of train formation, the increases of vehicle axle load, the increases of operating density, bridges presently in service are subject to excessive transverse vibration, which will endanger the safety of train operation. Taking the 32 m prestressed concrete T-beams plus double separated bridge pier and enlarged foundation, which is a main structure form in Shuohuang-railroad, as the research object, with the method of finite element simulation analysis and field measurement, this article studies the reinforcement effect of T-beam cross connection and pier transverse rigidity.The results show that, only increasing the stiffness of transverse connection of T beams reduces the transverse vibration of the span structure, while only reinforcing the transverse stiffness of bridge pier has a significant effect on controlling the lateral vibration of both bridge span and bridge piers, and the effect of this measure on the lateral vibration of bridge span is better than the measure to increase the lateral connection stiffness of T-beam. Compared with the previous measures, increasing T-beam transverse connection and the transverse stiffness reinforcement of bridge pier in the meantime makes the effect best, with a better effect on transverse vibration of the pier than only increasing the transverse stiffness of the pier.

heavy railway； lateral amplitude； bridge reinforcement method； operation performance experiment

2015-07-07 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.07

李保龍(1979-),男，工程師，研究方向?yàn)殍F道工程。E-mail：443732905@qq.com

U443

A

2095-0373(2016)02-0033-06

李保龍.重載運(yùn)輸條件下32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁橫向加固方法研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(2):33-38.