鐵路梁橋存在問題分析及加固措施

周東

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇 南京 210031）

鐵路梁橋存在問題分析及加固措施

周東

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇 南京 210031）

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展、鐵路交通技術(shù)的不斷提高、以及生活節(jié)奏的不斷加快，我國鐵路交通發(fā)展已取得很大進步。本文主要針對既有梁橋在橫向和縱向存在剛度不夠，影響列車運行時的舒適度這一方面來分析說明現(xiàn)有鐵路橋梁病害，并提出改造與加固措施。

鐵路橋梁；病害分析；改造加固

1 鐵路橋梁現(xiàn)狀

鐵路提速到時速200公里，更加可以加快城際和區(qū)域間交流。提速后的既有鐵路不能滿足需求，甚至出現(xiàn)損耗。特別是鐵路既有橋梁橫向振幅超限，成了鐵路提速的重大障礙。我國鐵路橋梁梁部多采用16、20、24、32m標(biāo)準(zhǔn)孔跨，涵蓋各個跨度的普高梁、低高度梁及超低高度梁，采用最多的(1000多孔)是24、32m普高梁。該系列梁型為單線鐵路橫向2片T梁形式，此種梁型橫向聯(lián)結(jié)較弱。全線多采用圓端形實體橋墩，對于少數(shù)立交橋、線路與河流渠道斜交角度較大的以及位于河灣上水流較復(fù)雜、且填土不高的橋墩則采用鋼筋混凝土圓墩或鋼筋混凝土板式橋墩。墩徑一般 有 1.7、1.8、1.9、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5m 共 8種類型，其中以直徑1.7、1.9、2.1m的圓墩較多，墩高范圍從2～10m不等?；A(chǔ)形式以鋼筋混凝土鉆孔樁居多，少數(shù)地基條件較好的則采用擴大基礎(chǔ)。

2 既有鐵路梁橋存在問題分析及加固措施

2.1 橫向加固

2.1.1 橫向預(yù)應(yīng)力加固

我國鐵路上使用的混凝土橋梁中，20m及以下跨度的無橫向聯(lián)結(jié)，24m以上有橫向聯(lián)結(jié)的，發(fā)現(xiàn)不少橫隔板已斷裂，在鐵路多次提速后，這部分橋梁在行車過程中，不僅截面存在斜彎曲現(xiàn)象，而且兩片梁橫向振動有相位差，甚至有反向振動現(xiàn)象，影響列車運行時的舒適度，已不能滿足鐵路提速之后的需要。常用的橋梁加固技術(shù)有橋面補強層加固、增焊主筋法、粘貼鋼板補強法、增設(shè)輔助構(gòu)件法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法和體外預(yù)應(yīng)力(體外索)法等。針對主梁性能良好但橫向聯(lián)系薄弱、結(jié)構(gòu)整體性差的橋梁，為保證高速行車的穩(wěn)定性和安全性、提高舒適度、盡量減少因更換橋梁而帶來的經(jīng)濟損失，在既有混凝土梁上進行橫向預(yù)應(yīng)力加固是一種很有效的方法。通過對橋梁結(jié)構(gòu)的補強，改善結(jié)構(gòu)受力性能，使加固后的橋梁能保證列車以最高200km/h能安全通過，同時改善梁的橫向整體性能，延長使用壽命。這項加固技術(shù)還可應(yīng)用于不同類型、不同跨度的鐵路混凝土橋梁，施工中不影響列車的正常運行，施工費用較低，可節(jié)省換梁所需的大量資金。并且加固方法簡單，在不影響列車正常運營的情況下進行，所需設(shè)備輕型、簡便，施工單位易于掌握，施工質(zhì)量易于保證。只需在兩片梁間增設(shè)橫隔板共同承受外載，預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在隔板內(nèi)，以減少施加橫向預(yù)應(yīng)力時產(chǎn)生的主梁腹板彎曲應(yīng)力，避免對腹板產(chǎn)生不利的影響，同時有利于預(yù)應(yīng)力筋的防護。橫隔板與腹板連接處用錨固鋼筋連接，橫隔板的位置與數(shù)量根據(jù)不同梁型、不同跨度而定。20m以下雙片式并置梁一般增設(shè)3塊橫隔板，跨中和兩端各一塊。橫向預(yù)應(yīng)力筋采用強度為1860MPa的無粘結(jié)鋼絞線，由于橫向預(yù)應(yīng)力筋長度僅為2.2m左右，需使用外加螺母的夾片式錨具錨固，保證預(yù)應(yīng)力筋的回縮量控制在2mm以內(nèi)，以免預(yù)應(yīng)力損失過大。

2.1.2 橫向剛度加固

鐵路提速，列車對橋梁結(jié)構(gòu)的動力作用增大，對橋梁結(jié)構(gòu)的要求愈加嚴(yán)格。由于橋梁的橫向剛度、抗扭剛度不足，橋墩的橫向剛度不足，橋墩基礎(chǔ)不夠穩(wěn)固，路基病害導(dǎo)致的橋頭線路不平順，橋上線路及軌道的不平順，以及轉(zhuǎn)向架的蛇行運動，或者轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架的橫向擺振等原因，導(dǎo)致部分鐵路橋梁橫向振幅超限，橫向振幅超限。為保證軌道的平順性必須限制橋梁結(jié)構(gòu)的豎向和橫向變形，嚴(yán)格要求橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。因此，為滿足列車提速后對梁整體穩(wěn)定性和橫向剛度要求，需要進行橫向加固。提高橫向剛度的加固方案主要可通過一下幾點進行：增加腹板的厚度；橫向單室改為多室；改進材料，采用高標(biāo)號混凝土。增加上翼緣板的厚度；加大腹板的中心距離；加設(shè)橫隔板；豎向單室改為多室。最終確保鐵路既有橋梁的各項指標(biāo)包括橫向振動、豎向振動、相關(guān)系數(shù)、豎向撓度等明顯低于《檢規(guī)》參考限值，梁的橫向剛度、豎向剛度、整體工作性能良好，并有一定的安全儲備，能夠滿足列車提速后對梁整體穩(wěn)定性和橫向剛度要求。橋梁的橫向水平和垂直振動自振頻率都有所提高，滿足鐵路提速的需求。

2.2 縱向加固

鐵路提速后，對橋梁縱向力傳遞影響最大的因素有兩個：一是道床的縱向位移阻力規(guī)律及位移阻力系數(shù)，二是橋梁下部結(jié)構(gòu)的縱向水平剛度(簡稱下部結(jié)構(gòu)剛度)。本文主要從狹義的角度來研究和論證線橋相互作用關(guān)系，即橋軌之問的連接單元一道床，在傳遞縱向力時所表現(xiàn)的力學(xué)行為。德國的縱向力傳遞裝置在其高速鐵路橋梁上進行了試用，我國的產(chǎn)品處于實驗室試驗階段;日本、法國和韓國在修建高速鐵路時也研究設(shè)里了縱向力傳遞裝里。縱向力傳遞裝置所起的主要作用是將短期存在的制動和啟動荷載傳向橋臺，而對溫度引起的位移不起作用。

鐵路提速，列車運行引起的縱向力主要包括牽引力和制動力，牽引力產(chǎn)生于與粘著重量相關(guān)的動輪，列車起動時產(chǎn)生牽引力，列車制動時產(chǎn)生單個車體的牽引力數(shù)值比單個車體的制動力大，但因只有機車才有牽引力，故從全列車的總體效應(yīng)看牽引力比制動力小。

列車制動主要通過輪軌間的摩擦與粘著實現(xiàn)，按剛體平面運動學(xué)的分析。沿鋼軌自由滾動的車輪，具有不斷變化的轉(zhuǎn)動中心，車輪和鋼軌的各個接觸點在它們接觸的瞬間是沒有相對運動的，輪軌之間的縱向水平力就是物理學(xué)上所說的靜摩擦力。影響粘著系數(shù)的因素主要有兩個:一個是車輪和鋼軌的表面狀況，另一個是列車運行速度。表面狀況包括表面粗糙度、潮濕或干燥、是否生銹、是否清潔等。隨著制動過程中列車速度的降低，沖擊和振動及伴隨而來的縱向和橫向的少量滑動都逐漸減弱，因而粘著系數(shù)逐漸增大。受粘著限制的動力制動是讓機車或動車的車輪帶動其動力傳動裝置，使它產(chǎn)生逆作用，從而消耗列車動能，產(chǎn)生制動作用，液力傳動內(nèi)燃機車的液力制動，電傳動內(nèi)燃機車、電力機車和電動車組的電阻制動，電力機車和電動車組的再生制動等，都屬于動力制動的范疇。

鐵路橋梁縱向力還受到常用制動和緊急制動和運行阻力幾方面的影響。常用制動是指正常情況下為調(diào)控列車速度或進站停車所實施的制動，其作用較緩和，而制動力可以調(diào)節(jié)，多數(shù)情況下，只用列車制動能力的50%左右。緊急制動是指緊急情況下為使列車盡快停住而實行的制動，它不僅用上了列車全部制動能力，而且作用比較迅猛。運行阻力包括基本運行阻力和附加阻力。基本阻力是列車在運行中任何情況下都存在的阻力，它包括由軸承摩擦產(chǎn)生的機車車輛運行阻力、車輪在鋼軌上滾動所產(chǎn)生的機車車輛運行阻力、車輪與鋼軌的滑動摩擦所產(chǎn)生的機車車輛運行阻力、沖擊和振動阻力、空氣阻力。(空氣阻力正比于速度的平方，高速時，列車基本阻力以空氣阻力為主)，附加阻力是列車在運行中個別情況下存在的阻力，包括坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加空氣阻力等。

解決鐵路縱向加固問題，主要從以下兩個方面展開：加固鐵路結(jié)構(gòu)上的剛度，是提高火車本身性能。比如修改定型設(shè)計，或者通過對縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的合理布置，以提供和提高梁的斜截面強度，以保證各個截面的正截面強度。確保安全，提高乘客舒適度。由于縱向預(yù)應(yīng)力對各截面應(yīng)力狀態(tài)的影響程度及其規(guī)律并不完全一致，設(shè)計時應(yīng)給予充分重視?？v向預(yù)應(yīng)力設(shè)計是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的核心問題，對既有鐵路橋梁縱向加固，也是需要嚴(yán)肅重視的一個問題。除了對各控制截面進行應(yīng)力驗算外，還應(yīng)做好對縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布束方案的優(yōu)化和比較。

[1]高建敏，翟婉明，蔡成標(biāo)，提速鐵路橋梁橫向振動異常探討及加固技術(shù)，鐵道建筑，2006.

[2]徐學(xué)，既有客貨共線鐵路提速，橋梁相關(guān)技術(shù)對策，鐵道建筑，2006.

[3]張文敏，彭嵐平，既有線提速鋼桁梁加固設(shè)計與測試，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2004.