葛凱 李承君 袁磊 許見超 趙體波 榮嶠 馬宏亮

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

重載鐵路是滿足牽引質(zhì)量8 000 t及以上、軸重為270 kN及以上、在至少150 km線路區(qū)段上年運(yùn)量大于40 Mt三項(xiàng)指標(biāo)中兩項(xiàng)的鐵路［1］。重載鐵路具有軸重大、牽引質(zhì)量大、運(yùn)量大的特點(diǎn)，且大多采用單元、組合等列車編組形式，一般為貨運(yùn)專線。

大秦鐵路是我國第一條重載鐵路和雙線電氣化運(yùn)煤專用線，全長(zhǎng)653 km，按國鐵Ⅰ級(jí)客貨共線鐵路設(shè)計(jì)，橋涵設(shè)計(jì)活載為中—活載。自2005年以來，大秦鐵路年運(yùn)量和行車密度已連續(xù)位居世界第一，至2018年底總運(yùn)量已達(dá)到60億t［2］。

近年來，對(duì)大秦鐵路橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行的跟蹤調(diào)研結(jié)果表明，伴隨長(zhǎng)編組、大軸重重載列車的開行和貨運(yùn)量的大幅提升，既有混凝土橋梁的劣化問題日益突出。針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁和中小跨度鋼筋混凝土梁的正截面活載內(nèi)力儲(chǔ)備及抗疲勞性能問題已開展了較為充分的研究［3-5］。此外，后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁腹板大量出現(xiàn)斜裂縫，與斜截面疲勞抗裂性能不足有關(guān)，病害的形成機(jī)理和對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能的影響尚未得到深入研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大秦鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式主要為跨度24、32 m的后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，其數(shù)量約占全部橋梁孔數(shù)的65%。病害梁型主要集中在設(shè)計(jì)圖號(hào)為專橋2039/2040、專橋2059A/B的32 m簡(jiǎn)支T梁。另據(jù)調(diào)查，朔黃、神朔等重載鐵路橋梁的相同梁型也有類似病害出現(xiàn)。

本文以大秦鐵路跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁（圖號(hào)為專橋2040，直線）為研究對(duì)象，分析重車線列車移動(dòng)荷載作用下典型截面的內(nèi)力變化特征以及運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主應(yīng)力變化特征，為既有重載鐵路混凝土梁斜截面疲勞抗裂機(jī)理的深入研究提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算參數(shù)

大秦鐵路2萬t貨運(yùn)列車通常采用2輛HXD1機(jī)車牽引210節(jié)C80貨車。為簡(jiǎn)化計(jì)算分析，對(duì)列車編組作適當(dāng)截取，假定列車編組模式為2節(jié)HXD1+6節(jié)C80貨車，荷載圖式見圖1。機(jī)車軸重250 kN，重車線貨車軸重250 kN，輕車線軸重50 kN，HXD1機(jī)車雙機(jī)聯(lián)掛長(zhǎng)70.496 m，6節(jié)C80貨車編組長(zhǎng)72 m。

圖1 運(yùn)營(yíng)列車荷載圖式（單位：cm）

運(yùn)營(yíng)恒載效應(yīng)計(jì)入梁體永存預(yù)應(yīng)力、自重和二期恒載作用。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，道砟超厚按30 cm計(jì)算，梁體恒載按均布荷載計(jì)算。依據(jù)文獻(xiàn)［6-7］，自重為32.55 kN/m，原設(shè)計(jì)二期恒載18.5 kN/m。另外計(jì)入運(yùn)營(yíng)階段二期恒載增量如下：橫向加固荷載1.848 kN/m、線路改造荷載5.46 kN/m、道砟超厚荷載12.76 kN/m。運(yùn)營(yíng)列車移動(dòng)荷載動(dòng)力系數(shù)取1.193 5。

依據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行分析計(jì)算，采用運(yùn)營(yíng)列車荷載圖式對(duì)梁體支點(diǎn)內(nèi)側(cè)，L/8、L/4、L/2（L為跨度）等典型截面的彎矩影響線和剪力影響線分別進(jìn)行移動(dòng)加載，以列車前部第1軸位于梁端支座中心處為起點(diǎn)，以0.1 m為步長(zhǎng)依次向前移動(dòng)，計(jì)算彎矩和剪力。再將運(yùn)營(yíng)恒載和活載單獨(dú)作用產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別疊加，依據(jù)應(yīng)力圓理論計(jì)算得出運(yùn)營(yíng)荷載組合作用下典型截面上倒角、中性軸和下倒角主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力。

2 列車移動(dòng)荷載作用特征

32 m簡(jiǎn)支梁重車線列車移動(dòng)過橋產(chǎn)生的彎矩和剪力見圖2。圖中方框內(nèi)線條對(duì)應(yīng)C80貨車作用。列車活載作用下不同截面內(nèi)力最大值見表1。

圖2 重車線列車移動(dòng)荷載作用下典型截面的內(nèi)力

表1 列車活載作用下不同截面內(nèi)力最大值

由表1可見，重車線列車移動(dòng)活載效應(yīng)由滿載貨車控制且仍小于中—活載效應(yīng)；因輕車線貨車軸重僅為重車線軸重的1/5，輕車線列車移動(dòng)活載效應(yīng)由機(jī)車控制，且約為重車線的2/3。

32 m簡(jiǎn)支梁重車線C80貨車作用下典型截面內(nèi)力見表2、表3，彎矩幅值占比為當(dāng)前步長(zhǎng)級(jí)差對(duì)應(yīng)活載彎矩與活載彎矩最大值的比值，剪力幅值占比為當(dāng)前步長(zhǎng)級(jí)差對(duì)應(yīng)活載剪力與活載剪力最大值的比值。

表2 32 m簡(jiǎn)支梁重車線C80貨車作用下典型截面彎矩

表3 32 m簡(jiǎn)支梁重車線C80貨車作用下典型截面剪力

由圖2、表2、表3可知：列車通過距離在67.58 m以前為機(jī)車作用，之后為貨車作用；貨車過橋時(shí)內(nèi)力循環(huán)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性變化特征，各截面內(nèi)力的周期性變化并不同步，即不同截面內(nèi)力極值對(duì)應(yīng)輪位并不相同；貨車過橋時(shí)各截面彎矩周期性變化呈現(xiàn)出大、小兩種幅度循環(huán)，作用周期分別對(duì)應(yīng)通過整列車和單節(jié)貨車（12.0 m），彎矩幅值占比分別為100%和7.6%～19.9%；貨車過橋時(shí)各截面剪力周期性變化分別呈現(xiàn)出大、中、小3種幅度的循環(huán)特征，作用周期分別對(duì)應(yīng)通過整列車、單節(jié)貨車和單個(gè)輪軸，剪力幅值占比分別為100%、33.6%～57.8%和8.6%～26.0%。

3 運(yùn)營(yíng)荷載疲勞作用特征

在自重、永存預(yù)應(yīng)力、二期恒載等運(yùn)營(yíng)恒載產(chǎn)生的彎矩、剪力和軸力作用基礎(chǔ)之上，隨著運(yùn)營(yíng)列車的上橋移動(dòng)，梁體腹板斜截面內(nèi)的主拉應(yīng)力與主壓應(yīng)力始終處于變化狀態(tài)，且表現(xiàn)出一定的周期性特征。32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁重車線設(shè)計(jì)荷載與運(yùn)營(yíng)荷載作用下主應(yīng)力最大值和最小值見表4?？芍?，設(shè)計(jì)荷載作用下，L/8、L/4截面主拉應(yīng)力最大值分別為1.80、1.15 MPa，分別位于中性軸、下倒角，主拉應(yīng)力最大幅值分別為1.63、1.09 MPa；主壓應(yīng)力最大值分別為-9.58、-9.71 MPa。運(yùn)營(yíng)荷載作用下，主應(yīng)力大于設(shè)計(jì)荷載主應(yīng)力，主應(yīng)力幅值基本相當(dāng)。運(yùn)營(yíng)荷載作用下，L/8、L/4截面主拉應(yīng)力最大值分別為2.04、1.43 MPa，分別位于中性軸、下倒角，主拉應(yīng)力最大幅值分別為1.61、1.27 MPa；主壓應(yīng)力最大值分別為-8.95、-10.49 MPa?？梢奓/8截面主拉應(yīng)力狀態(tài)更加不利，L/4截面主壓應(yīng)力狀態(tài)更加不利。梁體設(shè)計(jì)采用C48混凝土，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fct=3.02 MPa，運(yùn)營(yíng)荷載作用下主拉應(yīng)力最大值為0.675fct=2.04 MPa，已接近規(guī)范限值0.7fct；若考慮橋面二期恒載可能出現(xiàn)的額外超載，主拉應(yīng)力將超過限值。

表4 重車線設(shè)計(jì)荷載和運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主應(yīng)力最大值和最小值

3.1 主拉應(yīng)力變化

32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主拉應(yīng)力見圖3和表5。圖3方框內(nèi)的線條對(duì)應(yīng)貨車作用。由表4、表5和圖2、圖3可知，在重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下貨車過橋時(shí)不同截面主拉應(yīng)力的周期性變化并不同步，相同截面不同位置主拉應(yīng)力的周期性變化同步，主拉應(yīng)力與剪力變化同步，各截面大幅度循環(huán)的主拉應(yīng)力幅值占比為71.9%～88.8%；各截面中、小幅度循環(huán)的主拉應(yīng)力幅值占比分別為32.9%～54.1%、9.6%～25.7%。

圖3 重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主拉應(yīng)力

表5 重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主拉應(yīng)力

3.2 主壓應(yīng)力變化

32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主壓應(yīng)力見圖4和表6（見次頁）。圖4中方框內(nèi)線條對(duì)應(yīng)貨車作用。由表4、表6和圖2、圖4可知，在重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下，貨車過橋時(shí)不同截面主壓應(yīng)力的周期性變化并不同步，相同截面不同位置主壓應(yīng)力的周期性變化大體同步，主壓應(yīng)力與剪力變化大體同步，各截面大幅度循環(huán)的主壓應(yīng)力幅值占比為12.8%～43.7%；各截面中、小幅度循環(huán)主壓應(yīng)力幅值占比分別為2.0%～12.4%、0.5%～4.9%。

圖4 重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主壓應(yīng)力

表6 重車線運(yùn)營(yíng)荷載作用下典型截面的主壓應(yīng)力

3.3 循環(huán)作用次數(shù)

以大秦鐵路編組2輛HXD1牽引210節(jié)C80（軸重250 kN）的貨運(yùn)列車為例，每列滿載列車牽引質(zhì)量為1.68萬t，年運(yùn)量4.5億t。經(jīng)換算，每片梁年通過列車約26 645列，日運(yùn)量約123萬t，日通過列車約73列。綜上所述，跨度32 m簡(jiǎn)支T梁每年經(jīng)歷的大、中、小幅度主應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大致分別為2.67萬、560萬、2 240萬次；100年服役周期內(nèi)經(jīng)歷的大、中、小幅度主應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大致分別為267萬、5.6億、22.4億次。

假定某普通貨運(yùn)鐵路開行列車軸重為230 kN，列車牽引質(zhì)量4 000 t（約44節(jié)貨車）、年運(yùn)量4 000萬t。經(jīng)換算，每片梁年通過列車約13 140列，日運(yùn)量約11萬t，日通過列車約36列。以大秦鐵路為代表的重載鐵路簡(jiǎn)支梁承受的大、中、小幅度主應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大致分別為普通貨運(yùn)鐵路梁的2、10、10倍，且前者梁體實(shí)際承受的主拉應(yīng)力水平更高。

4 腹板斜裂縫成因分析

混凝土受拉疲勞累積損傷相關(guān)研究成果表明［8-9］，混凝土結(jié)構(gòu)疲勞抗裂性能與混凝土抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力水平、加載歷史以及荷載作用循環(huán)次數(shù)均有關(guān)。重載鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁運(yùn)營(yíng)階段主拉應(yīng)力最大值已經(jīng)超過設(shè)計(jì)值且接近甚至超過規(guī)范限值，運(yùn)營(yíng)階段經(jīng)歷的主應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為普通貨運(yùn)鐵路同類梁型的數(shù)倍，導(dǎo)致梁體的累積損傷顯著增大。混凝土斜截面疲勞抗裂性能相對(duì)不足可能是既有重載鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁腹板斜裂縫的主要成因。

5 結(jié)論

1）對(duì)于大秦鐵路跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，梁上每通過整列車、單節(jié)貨車便分別經(jīng)歷1次大、小幅度彎矩循環(huán)；梁上每通過整列車、單節(jié)貨車、單個(gè)輪軸便分別經(jīng)歷1次大、中、小幅度剪力循環(huán)；正應(yīng)力循環(huán)作用與彎矩變化同步，主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力循環(huán)作用與剪力變化同步。

2）與普通貨運(yùn)鐵路相比，既有重載鐵路貨運(yùn)列車的軸重更大、編組更長(zhǎng)、貨運(yùn)量更多，二期恒載遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)水平，重車線梁體承受的主拉應(yīng)力更高，在全壽命周期內(nèi)經(jīng)歷的大、中、小幅度主應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別大致相當(dāng)于前者的2、10、10倍，重車線計(jì)算截面大、中、小幅度主拉應(yīng)力幅值占比分別為71.9%～88.8%、32.9 %～54.1%、9.6%～25.7%。

3）梁體在運(yùn)營(yíng)階段主應(yīng)力循環(huán)作用下產(chǎn)生的疲勞累積損傷過大、斜截面疲勞抗裂性能相對(duì)不足可能是既有重載鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁腹板斜裂縫的主要成因。梁體斜截面在運(yùn)營(yíng)階段持續(xù)承受變幅值、變方向的雙向拉壓應(yīng)力循環(huán)作用，梁體疲勞累積損傷的內(nèi)在機(jī)理尚需深入研究。