劉永前，李 勇，楊 明，許宏偉

(1.石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；2.河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵源工程檢測有限公司，河北 石家莊 050043)

自20世紀80年代起，我國開始研究重載技術并發(fā)展重載鐵路。根據(jù)國際通用的重載鐵路標準，要求重載鐵路應滿足三條標準，即列車載質(zhì)量不低于8 000 t，貨車單軸軸重達到270 kN及以上，及在長度不小于150 km的鐵路線上且年貨運量不低于4 000萬t[1]。與國外的重載鐵路相比，我國既有鐵路設計軸重普遍偏低，只有新建的瓦日鐵路、蒙華鐵路設計軸重達到270 kN以上，因此我國重載鐵路的發(fā)展現(xiàn)階段主要采取對既有鐵路進行擴能改造的模式進行，通用貨車的單軸軸重由210、230 kN逐步向250、270 kN乃至300 kN發(fā)展，目前我國主要的運煤專線大秦和朔黃鐵路開行的重載列車軸重已經(jīng)達到250 kN，見表1。

表1 既有重載鐵路線擴能運輸現(xiàn)狀

隨著擴能運輸改造和重載鐵路快速發(fā)展，列車軸重、運行密度及編組數(shù)量均大幅提高。列車軸重的不斷提高使得橋梁承受的豎向荷載增大，并且列車對橋梁的橫向沖擊作用也相應增大，運營密度提高使得列車荷載對橋梁的疲勞作用次數(shù)增多，導致部分既有橋梁在強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的安全儲備大大降低[2～5]。

預應力混凝土簡支T梁是重載鐵路橋梁中最為常用的結構形式，總占比達到95%以上，其中32 m標準梁型約占67%。隨著列車軸重的提高，一些預應力混凝土T梁梁端普遍出現(xiàn)了斜向開裂的現(xiàn)象[6-7]，本文將對T梁斜裂縫的成因及其對重載運營的影響進行詳細的分析研究，為我國鐵路重載擴能改造提供借鑒。

1 重載鐵路擴能運輸對橋梁力學性能的影響

1.1 列車提載對橋梁荷載效應的影響

列車軸重的提高，勢必會降低橋梁的設計抗力安全儲備，目前既有線重載鐵路橋梁的設計荷載為中-活載見圖1(a)；而運營荷載主要為C64、C70和C80，見圖1(b)～圖1(d))；軸重為270 kN的重載列車也逐步開通，見圖1(e)。C64、C70和C80分別與中-活載產(chǎn)生的活載效應比值隨橋梁跨徑的變化規(guī)律見圖2。由圖2可知，隨著軸重的增大，效應比值也隨之增大；橋梁跨徑在8～12 m區(qū)間的荷載效應比值由0.60增加到0.95左右，中小跨徑混凝土橋梁承載能力安全儲備降低；橋梁跨徑在16～24 m區(qū)間內(nèi)荷載效應比值出現(xiàn)最小值，跨徑大于24 m后荷載效應比值隨著跨徑增大而增大。當軸重達到270 kN時，列車荷載效應接近設計中活載效應。

圖1 列車荷載模式(單位：m)

圖2 不同列車荷載與設計中活載的靜效應比值

在2014年常態(tài)化開通軸重250 kN、2萬t牽引的C80列車后，通過對朔黃鐵路公司管轄內(nèi)的266座(1 774孔)橋梁進行跟蹤檢查，主梁出現(xiàn)梁端斜裂縫病害的橋梁有共計37座(共219孔，總長6 148 m)，其中以32 m跨徑的T梁出現(xiàn)斜裂縫的孔數(shù)較多，見表2。由表2可見，32 m跨徑T梁出現(xiàn)斜裂縫163孔，占病害橋梁的比例達74.43%。

表2 出現(xiàn)斜裂縫的各類跨徑T梁的數(shù)量及比例

1.2 斜裂縫對T梁受力性能的影響

實測T梁梁端斜裂縫均出現(xiàn)在腹板外側(cè)，沿斜向分布2～3條大致平行裂縫，裂縫位置基本位于距梁端1倍梁高范圍內(nèi)，多處于梁端變截面區(qū)域的腹板內(nèi)，裂縫性質(zhì)類似于腹剪斜裂縫，最寬處往往在中和軸附近，斜裂縫方向大致呈45°的角度。

本文以朔黃鐵路小艮河大橋為例，對32 m預應力混凝土簡支梁進行運營性能試驗研究，分析梁端斜裂縫對橋梁結構受力性能以及運營狀態(tài)的影響程度，見圖3。

圖3 單跨32 m預應力混凝土T梁截面尺寸(單位：mm)

該大橋為雙線橋，橋梁全長240 m，由7孔32 m普通高度預應力混凝土簡支T梁組成，全橋支座采用盆式橡膠支座；橋墩為單線圓端型板式柱墩，基礎為樁基礎。梁端腹板箍筋間距為80 mm，箍筋直徑為10 mm，箍筋采用HRB335鋼筋，混凝土強度等級為C50，單孔T梁共布置18束7Φ15.24 mm鋼絞線，兩端張拉控制應力為1 395 MPa，其中在梁端處上彎并錨固于梁端腹板內(nèi)的鋼束有6束，其余鋼束在梁端處均錨固于馬蹄內(nèi)。

選取該橋中存在斜裂縫的第4孔上行側(cè)T梁和完好狀態(tài)的第3孔上行側(cè)T梁分別進行測試并對結果進行對比，見圖4，運營測試結果見圖5，實測最大值對比見表3。

圖4 動載試驗測點布置

圖5 運營試驗測試結果

表3 動力測試實測最大值對比

由圖5和表3可知，C64、C70和C80運營列車過橋時，第4孔病害T梁的跨中橫向振幅、豎向振幅、橫向加速度及豎向加速度實測值峰值均大于第3孔完好T梁，最大增長率分別為26.92%、27.78%、28.57%和9.59%，表明斜裂縫對第4孔病害T梁的橫向和豎向剛度有所減弱，均小于第3孔完好T梁。但是，第4孔病害T梁的橫向振幅和橫向加速度峰幅值仍遠小于規(guī)范規(guī)定的限值(分別為3.56 mm和1.4 m/s2)，說明第4孔病害T梁的受力性能仍能滿足列車的通行要求。

1.3 斜裂縫寬度長期監(jiān)測結果

為了考察T梁梁端斜裂縫在提載之后的發(fā)展規(guī)律，在第4孔梁端跨斜裂縫(初始寬度0.1 mm)布置了全橋接法的應變傳感器進行裂縫寬度實時監(jiān)測，根據(jù)所測試的應變與傳感器標距的比值得到斜裂縫寬度，進而獲得斜裂縫寬度隨時間的發(fā)展變化情況，見圖6，最后通過DASP-MTS大型監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)上傳至云平臺并可進行實時預警。

圖6 斜裂縫長期監(jiān)測結果

由圖6可知，重載鐵路擴能提載后，并置T梁雖然出現(xiàn)了梁端斜裂縫的現(xiàn)象，但是在截取的監(jiān)測時間段內(nèi)(約120 d)，梁端斜裂縫寬度未見明顯增長，過車時裂縫寬度會增大，但最大增幅不超過0.2 mm，且當列車通過橋梁后斜裂縫會恢復到初始寬度。但是，斜裂縫的出現(xiàn)勢必會影響橋梁的耐久性，且在重載列車疲勞荷載作用下裂縫發(fā)展會越來越嚴重，所以應當對梁端斜裂縫進行封閉或加固處理[8-9]。

2 T梁梁端受力性能分析

既有鐵路擴能運輸條件下，列車軸重的提高勢必會帶來橋梁梁端彎剪區(qū)內(nèi)力響應的增加，進而會增大主拉應力，而對于運營橋梁而言，提載后對同一座橋梁，既有未開裂孔跨也有開裂孔跨，說明主梁自身的材料特性也會對斜裂縫的發(fā)展有所影響，如混凝土離散性導致的強度等級差異、預應力筋損失程度不同導致的差異等。

選取前述32 m預應力混凝土T梁進行有限元建模，分別考慮荷載(C64、C70、C80和C80(270 kN)，考慮動力系數(shù)1.2)、混凝土強度(C40～C60)、預應力損失(10%～40%，兩端張拉，張拉控制應力為1 395 MPa)三個因素對于梁端主拉應力和剪應力的影響規(guī)律。建模分析時考慮T梁的自重，以及道砟、軌道、枕木和人行踏板等二期恒載共計48.0 kN/m[10～13]，空間桿系有限元模型見圖7。

圖7 32 m預應力混凝土T梁空間桿系有限元模型

分析表明，隨著列車軸重的提高，T梁梁端的剪應力和主拉應力也隨之提高，見表4。由表4可知，32 m預應力混凝土T梁的梁端剪應力和主拉應力均小于規(guī)范規(guī)定的主梁(C50)的容許剪應力(3.13 MPa)和容許主拉應力(2.58 MPa)，理論上不會出現(xiàn)開裂，但是抗剪安全儲備較低。

表4 32 m 預應力混凝土T梁梁端最大剪應力和主拉應力

對于同一座橋梁，不同孔跨既有開裂也有完好不開裂的情況，對于同一批澆筑的T梁，可能存在著預應力損失不同的情況，進而導致T梁內(nèi)的永存有效預應力存在一定的差異，所以，以C80列車為例，考慮T梁有效預應力的不同損失程度來考察其梁端剪應力和主拉應力的大小，見圖8。

圖8 預應力損失對計算應力的影響

由圖8可知，隨著預應力損失的增大，在恒載和列車荷載共同作用下的梁端最大剪應力和主拉應力均增大，但即使考慮預應力損失40%，梁端主拉應力依然不超過設計規(guī)范對于混凝土斜截面抗裂性要求的容許應力。同時也可以看出，隨著預應力損失的增大，梁端截面中性軸處的最大剪應力有可能會超過混凝土的容許剪應力，而梁端斜裂縫從開裂狀態(tài)上為腹剪斜裂縫，所以梁端較大的剪應力應為產(chǎn)生斜裂縫的主要影響因素。

3 T梁斜截面開裂精細化模型分析

由于空間桿系模型無法模擬T梁截面上的應力分布狀態(tài)及混凝土塑性開裂現(xiàn)象，為進一步分析梁端斜裂縫的發(fā)展規(guī)律，采用Abaqus軟件建立32 m預應力混凝土T梁的分離式三維空間精細化模型，見圖9。在建模過程中，考慮混凝土的材料非線性[14-15]，并采用C3D8R單元進行模擬，拉壓混凝土應力-應變曲線見圖10，其本構關系通過彈塑性損傷模型(Damage Plastic)進行模擬；預應力筋和普通鋼筋均采用T3D2桁架單元進行模擬，并嵌入混凝土中；預應力筋的預加力通過降溫法進行模擬。T梁梁端邊界條件為豎向簡支，列車荷載考慮為C80(軸重250 kN)。

圖9 32 m預應力混凝土T梁精細化模型

圖10 拉壓混凝土應力-應變曲線

在進行模型加載時，考慮軸重從210 kN增大至360 kN，T梁梁端1 m范圍內(nèi)腹板區(qū)域的開裂發(fā)展規(guī)律見圖11。

圖11 隨軸重增加距離梁端1m腹板內(nèi)裂縫開展規(guī)律

由圖11可知，此T梁腹板上方距離翼緣較近的位置容易發(fā)生開裂現(xiàn)象；根據(jù)規(guī)范計算得到本橋的動力系數(shù)為1.2，當單軸小于270 kN或小于1.2倍的C70列車軸重時，開裂程度未見明顯發(fā)展；當單軸達到300 kN或1.2倍的C80列車(250 kN)軸重時，腹板中間部位開始出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；當單軸達到330kN或1.2倍的C80(270 kN)列車軸重時，腹板中間部位裂縫急劇發(fā)展；在單軸達到360 kN或1.2倍KM98列車軸重時達到最大值。所以，本文所分析的32 m預應力混凝土T梁橋在運營C80(270 kN)時，就會出現(xiàn)梁端腹板斜裂縫。

T梁的計算裂縫與實測裂縫對比見圖12。由圖12可知，隨著軸重的提高，計算裂縫的長度也逐步增加，梁端腹板斜裂縫的開展位置和趨勢大致與實測裂縫一致，但是由于實際混凝土為離散材料，材料強度和密實度在梁端并不均勻，而計算時混凝土為單一均質(zhì)各項同性材料，導致裂縫的計算長度和實測長度有所差別。

圖12 不同軸重下計算開裂與實測裂縫對比

4 結論

通過對重載鐵路32 m預應力混凝土T梁梁端斜裂縫的病害調(diào)查、運營性能試驗、長期監(jiān)測及數(shù)值模擬，可以得出以下結論：

(1)隨著重載列車軸重的提高，實測許多32 m預應力混凝土T梁梁端腹板內(nèi)出現(xiàn)了斜裂縫?；贏baqus精細化模型分析結果表明試驗研究所選取的32 m預應力混凝土T梁距梁端1倍梁高范圍內(nèi)的腹板在恒載、預應力和運營列車荷載作用下極有可能會引起斜向開裂。

(2)梁端斜裂縫對于橋梁的運營性能有一定的影響，試驗結果表明，實測病害T梁跨中橫向振幅、豎向振幅、橫向加速度及豎向加速度實測值峰值均大于完好T梁，增加率范圍為3.08%～28.57%，表明梁端開裂不同程度降低了T梁的橫向剛度和豎向剛度，且對于橫向剛度的影響更大。

(3)在C80列車常態(tài)化運營后，長期監(jiān)測結果表明T梁梁端的斜裂縫長度及寬度未見明顯擴展，但是裂縫的出現(xiàn)勢必會影響既有橋梁的耐久性，應對梁端斜裂縫采用合理的處治措施進行封閉或加固處理。