擴(kuò)能運(yùn)輸對(duì)朔黃鐵路橋梁的影響及維管對(duì)策研究

張二田

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350）

重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高而在越來(lái)越多的國(guó)家推廣應(yīng)用。目前世界上運(yùn)營(yíng)的最大軸重車(chē)已達(dá)40 t，重載貨車(chē)的編組一般均在100節(jié)以上，相應(yīng)各國(guó)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)比較高［1－2］。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的大軸重、低密度運(yùn)營(yíng)狀態(tài)相比，我國(guó)重載鐵路發(fā)展的戰(zhàn)略方向是重載、高速、高密度，這對(duì)線(xiàn)路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)要求大大提高。

作為我國(guó)西煤東運(yùn)第二大通道，朔黃鐵路的3．5億t擴(kuò)能改造，對(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)煤炭資源、提高通道整體運(yùn)輸效率、促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義和作用。目前，朔黃鐵路部分列車(chē)軸重也已提高到25 t，并且已開(kāi)行1萬(wàn)t重載列車(chē)，正在試運(yùn)行2萬(wàn)t重載列車(chē)，年運(yùn)量由1．96億t向2．34億t發(fā)展。

由于朔黃鐵路既有橋梁的建設(shè)年代跨越范圍較大，設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)類(lèi)型多樣，不同橋梁的健康狀態(tài)差異較大，重載運(yùn)輸引起的橋梁沖擊振動(dòng)加劇、梁體開(kāi)裂、橫隔板斷裂等病害的增多，對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提出了更高的維護(hù)管理要求。因此，迫切需要對(duì)重載鐵路橋梁進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施消除安全隱患，確保重載鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

一、重載運(yùn)輸對(duì)鐵路橋涵的影響

（一）重載運(yùn)輸?shù)暮奢d效率分析

朔黃鐵路多為簡(jiǎn)支梁橋，列車(chē)豎向靜活載采用“中－活載”（圖1）。目前重載單元列車(chē)軸重已提高到25 t（圖2），遠(yuǎn)期計(jì)劃提高到27 t或30 t。

以簡(jiǎn)支梁為例，結(jié)合理論分析和有限元仿真計(jì)算可以得知，軸重由21 t（C64）提高到27 t（C80）時(shí)，橋梁跨徑小于16 m時(shí)，跨中彎矩及梁端剪力的荷載效率系數(shù)存在最大值，并且隨著跨徑增加呈逐漸減小趨勢(shì)?？鐝綇?6～24 m時(shí)荷載效率隨跨徑呈增加趨勢(shì)，增幅不大，跨徑大于24 m后荷載效率系數(shù)隨跨徑增大而增大但增大趨勢(shì)緩慢。其中橋梁跨度在8～12 m區(qū)間的荷載效率系數(shù)最大值由0．66增加到1．00，暴露出中小跨徑混凝土橋梁承載能力不足的問(wèn)題。

圖1 中－活載圖示

圖2 C80車(chē)輛圖示（25t軸重）（單位：m）

（二）重載運(yùn)輸對(duì)鐵路橋涵結(jié)構(gòu)的主要影響

1．重載鐵路運(yùn)輸對(duì)梁體的影響

（1）重載運(yùn)輸列車(chē)軸重由21 t提高到25 t以上，豎向荷載增大必然導(dǎo)致橋梁的豎向撓度增大。

（2）列車(chē)橫向搖擺力與豎向力成正比關(guān)系，豎向荷載增加，橫向搖擺力增大，導(dǎo)致橋梁橫向振幅過(guò)大。

（3）重載運(yùn)輸列車(chē)軸重的增大引起列車(chē)制動(dòng)力也會(huì)增大，使橋梁的縱向振動(dòng)加劇。

（4）雖然鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范不考慮沖擊力與車(chē)速的關(guān)系。但從國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證實(shí)，動(dòng)力系數(shù)值與行車(chē)速度有關(guān)。列車(chē)速度提高后，不平順的車(chē)輪或軌道產(chǎn)生的沖擊力相當(dāng)可觀，不容忽視。

2．重載鐵路運(yùn)輸對(duì)支座、墩臺(tái)、基礎(chǔ)的影響

（1）支座將橋跨結(jié)構(gòu)承受的荷載產(chǎn)生的垂直力及水平力傳遞到墩臺(tái)上。隨著列車(chē)軸重的增加，支座承受的豎向壓力、列車(chē)搖擺力、列車(chē)制動(dòng)力等都會(huì)增加，造成支座位移大、轉(zhuǎn)角超限等病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)的伸縮或轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）隨著列車(chē)軸重提高，車(chē)速加快，橋梁橫向振動(dòng)加劇，橋墩承受的動(dòng)荷載也隨之增大，橋墩承受疲勞作用也越為顯著，影響到橋墩承載能力。

（3）由于受地基、臺(tái)背后填土、設(shè)計(jì)與施工方案、路橋結(jié)構(gòu)剛度不協(xié)調(diào)等因素影響，橋涵過(guò)渡段出現(xiàn)不均勻沉降［3］。

（三）重載鐵路橋涵常見(jiàn)病害

近幾年，綜合大秦鐵路、朔黃鐵路重載運(yùn)營(yíng)情況，面對(duì)運(yùn)量逐年增加的局面，橋梁陸續(xù)出現(xiàn)了諸多病害，主要表現(xiàn)為：

（1）小跨度鋼筋混凝土并置梁橫向剛度不足，梁的橫向振動(dòng)頻率偏小、振幅偏大，行車(chē)中出現(xiàn)較大晃動(dòng)。

（2）跨度8 m的混凝土梁橫向和縱向裂縫現(xiàn)象嚴(yán)重，重車(chē)線(xiàn)劣化速度加快，動(dòng)撓度超限。

（3）圓形雙柱、矩形雙柱墩的剛度偏弱，列車(chē)作用下發(fā)生較大振幅。

（4）支座出現(xiàn)多種病害，其中搖軸支座的縱向位移偏大超過(guò)規(guī)定允許值、定位銷(xiāo)剪斷現(xiàn)象嚴(yán)重，弧形支座錨拴折斷情況時(shí)有發(fā)生。

（四）朔黃鐵路橋梁維管難題

朔黃鐵路是由神華集團(tuán)、鐵道部、河北省三方共同出資修建的合資鐵路，合資鐵路在運(yùn)營(yíng)和維管過(guò)程中難免會(huì)存在一些問(wèn)題：公司組織和運(yùn)行模式尚處在初級(jí)階段，治理結(jié)構(gòu)不完善，需建立長(zhǎng)期、合理的運(yùn)營(yíng)和維管機(jī)制；與大秦線(xiàn)鐵路相比，運(yùn)輸規(guī)模偏小，需不斷通過(guò)提高生產(chǎn)技術(shù)水平，研發(fā)新技術(shù)，持續(xù)創(chuàng)新，為擴(kuò)能運(yùn)輸提供有力的技術(shù)支撐；后備人才的培養(yǎng)和儲(chǔ)備尚顯不足，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員缺失，需通過(guò)與高校合作，分期分批進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，并聘請(qǐng)專(zhuān)家到公司講授橋梁知識(shí)，了解當(dāng)前重載鐵路橋梁維管的先進(jìn)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)。

二、朔黃鐵路橋梁的維管對(duì)策

朔黃鐵路沿途地址條件復(fù)雜，橋梁結(jié)構(gòu)類(lèi)型多樣，僅朔黃鐵路肅寧分公司管內(nèi)的123#～291#橋，橋梁類(lèi)型就達(dá)十幾種，總計(jì)1 860孔，其中20 m跨徑以下的橋梁達(dá)553孔，占總量的30%，該類(lèi)橋梁的檢查與檢測(cè)、安全狀態(tài)評(píng)估、快速維修加固成為重載運(yùn)輸條件下橋梁科學(xué)維管的重中之重。

橋梁設(shè)備維修管理模式遵循橋梁設(shè)備維修以勤檢慎修、邊檢邊修的維修理念，明確設(shè)備的檢查維修制度。對(duì)橋梁設(shè)備要有專(zhuān)門(mén)的定員進(jìn)行檢查，對(duì)橋梁重點(diǎn)部位，特別是重載對(duì)橋梁造成的傷害，例如支座螺栓剪斷、支座位移或轉(zhuǎn)角超限、梁端頂死等重點(diǎn)病害進(jìn)行排查摸底，建立設(shè)備病害管理臺(tái)賬。對(duì)橋梁設(shè)備各部位根據(jù)鐵道部《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》［4］進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)靜態(tài)評(píng)定，評(píng)出圬工橋梁劣化等級(jí)AA級(jí)、A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)。根據(jù)設(shè)備劣化等級(jí)確定設(shè)備大修、綜合維修及保養(yǎng)工作。橋梁養(yǎng)護(hù)人員應(yīng)對(duì)管內(nèi)橋梁設(shè)備的整體狀態(tài)進(jìn)行匯總分析，編制橋梁設(shè)備年度檢查計(jì)劃、月度保養(yǎng)計(jì)劃、生產(chǎn)日計(jì)劃及設(shè)備大修年度計(jì)劃。并由專(zhuān)人負(fù)責(zé)盯控實(shí)施。加強(qiáng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)檢查，通過(guò)測(cè)定橋梁的自振頻率及圬工梁的撓度變化，掌握設(shè)備狀態(tài)變化規(guī)律。同時(shí)開(kāi)展各種形式的安全管理及設(shè)備安全隱患大檢查活動(dòng)，結(jié)合日常設(shè)備動(dòng)靜態(tài)檢查及季節(jié)性檢查，相互補(bǔ)充相互強(qiáng)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)變化，從而采取相應(yīng)的防護(hù)加固措施，確保橋梁設(shè)備的安全，保證正常的行車(chē)安全。

（一）完善橋梁檢查制度

橋梁檢查主要是對(duì)橋梁技術(shù)狀況的調(diào)查，即橋梁缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)，找出產(chǎn)生缺陷和損傷的主要原因，分析和評(píng)價(jià)其對(duì)橋梁使用承載能力的影響，為橋梁維修和加固設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)［5］。檢查制度包括：經(jīng)常檢查、定期檢查、專(zhuān)項(xiàng)檢查和檢測(cè)試驗(yàn)等，根據(jù)《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定和朔黃鐵路橋梁的實(shí)際情況，制定橋梁檢查的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程，橋梁維護(hù)管理部門(mén)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程作業(yè)。

根據(jù)橋梁檢查目的需安排不同的專(zhuān)業(yè)人員。經(jīng)常檢查可由橋梁領(lǐng)工員帶隊(duì)組織實(shí)施，定期檢查需由橋工隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)帶隊(duì)組織實(shí)施，專(zhuān)項(xiàng)檢查和檢測(cè)試驗(yàn)則應(yīng)聘請(qǐng)橋梁專(zhuān)家和具有專(zhuān)業(yè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。橋梁檢查人員要客觀認(rèn)真填寫(xiě)橋梁記錄表，建立橋梁資料檔案庫(kù)，對(duì)于每次檢查的結(jié)果及時(shí)錄入檔案庫(kù)，并與以往數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，掌握病害的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)存在安全隱患的橋梁要立即上報(bào)，并組織相關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果制定相關(guān)的維修養(yǎng)護(hù)措施。

為應(yīng)對(duì)2萬(wàn)t擴(kuò)能運(yùn)營(yíng)，2012年六七月，朔黃鐵路肅寧分公司對(duì)管內(nèi)的近2 000孔橋梁進(jìn)行了全面分析，根據(jù)橋梁類(lèi)型、跨徑形式重點(diǎn)選取23座典型橋梁進(jìn)行了全面檢查與綜合評(píng)定，建立了橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)檔案，對(duì)中等以上劣化橋梁（占總量14%）制定了進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)周期；對(duì)病害較為嚴(yán)重的244#橋采取裂縫灌封、混凝土剝離補(bǔ)修、梁端橫向限位等整治措施，及時(shí)消除了安全隱患，避免了橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的惡化。

（二）橋梁安全狀態(tài)評(píng)估

為及時(shí)掌握橋梁安全運(yùn)營(yíng)狀況，應(yīng)根據(jù)橋梁檢查結(jié)果，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的安全評(píng)估和預(yù)警預(yù)報(bào)。橋梁安全狀態(tài)評(píng)估主要采取以下三種方法：

（1）基于外觀調(diào)查進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。根據(jù)經(jīng)常檢查和定期檢查的結(jié)果，基于橋梁結(jié)構(gòu)的表觀缺損情況，對(duì)其劣化等級(jí)進(jìn)行評(píng)定?；谕庥^調(diào)查進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估主要依據(jù)工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)評(píng)分結(jié)果劃分橋梁的技術(shù)狀況等級(jí)，并制定病害整治方案。

（2）基于荷載試驗(yàn)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估?；诤奢d試驗(yàn)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估主要是通過(guò)運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)或者靜動(dòng)載試驗(yàn)確定《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［6］中各控制參數(shù)的實(shí)測(cè)值，并與理論值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和朔黃鐵路運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)分析橋梁各控制參數(shù)的規(guī)律，制定出適合于朔黃鐵路橋梁的控制參數(shù)限值。一旦超限，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，并立即上報(bào)責(zé)任部門(mén)，采取措施。

（3）長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于大型橋梁和病害嚴(yán)重的橋梁，可采用長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)代傳感和通信技術(shù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況的各種信息，并最終判定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)與可靠性。通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的橋梁建立相應(yīng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)掌握橋梁的健康狀況，對(duì)運(yùn)營(yíng)狀況異常的橋梁提出預(yù)警預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。

近年來(lái)，朔黃鐵路對(duì)管內(nèi)的重點(diǎn)橋梁進(jìn)行了大量的運(yùn)營(yíng)性能檢測(cè)與評(píng)估，特別是針對(duì)既有病害限速橋梁，采取橋梁橫向加固、更換新型單元列車(chē)轉(zhuǎn)向架等技術(shù)手段，經(jīng)過(guò)整治前后的反復(fù)測(cè)試與狀態(tài)評(píng)估，馬圈特大橋、劉家溝中橋、陳?ài)缀又袠虻葮蛄喉樌∠匏?，恢?fù)線(xiàn)路正常運(yùn)營(yíng)速度80 km／h，簡(jiǎn)化了調(diào)度管理程序，有效提高了運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益。

（三）快速維修加固

鐵路橋梁一旦出現(xiàn)病害，需采取快速維修加固措施，以快速恢復(fù)線(xiàn)路通行。出現(xiàn)輕微病害的橋梁，通過(guò)正常養(yǎng)護(hù)維修能得到快速有效的處理，而對(duì)于嚴(yán)重病害的橋梁則必須針對(duì)病害原因制定專(zhuān)門(mén)的加固方案。

橋梁加固的形式是多樣的，如增大截面及配筋加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、黏貼鋼板加固法、黏貼碳纖維加固法等。在制定加固方案時(shí)，施工的快捷方便是首要考慮因素。現(xiàn)階段橋梁加固技術(shù)應(yīng)用面臨的最大難題是加固設(shè)計(jì)和施工的脫節(jié)，在設(shè)計(jì)與施工沖突時(shí)，以快速施工和盡量減少橋涵改造工程量為原則，采取及時(shí)、有效的措施。

為應(yīng)對(duì)擴(kuò)能運(yùn)輸?shù)囊螅伏S鐵路公司聯(lián)合中鐵設(shè)計(jì)院相關(guān)單位，考慮主梁和橋墩的相互影響，以梁墩體系整體考慮橋梁振動(dòng)的影響，進(jìn)行了橋梁加固設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的研發(fā)，研究表明，與單獨(dú)增加梁體橫向剛度相比，增強(qiáng)橋墩的橫向剛度較為有效，以蘆溝特大橋?yàn)槔瑢?duì)下行單圓柱墩增大墩體截面和上下行雙T梁梁體橫向預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)整體性后，在同荷載同速度的列車(chē)激勵(lì)下，加固后的橋墩墩頂橫向最大振幅平均降到加固前的52%；在同荷載同速度的列車(chē)激勵(lì)下，梁跨中的最大橫向振幅平均降到加固前的74%；梁墩體系的橫向固有自振頻率平均提高了40%。通過(guò)近年來(lái)對(duì)該成果的應(yīng)用，全線(xiàn)減少影響行車(chē)157對(duì)，既提高了列車(chē)的運(yùn)營(yíng)效率，又提高了橋梁的使用壽命，保證了橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。

（四）加強(qiáng)維修質(zhì)量驗(yàn)收

橋梁維護(hù)人員在進(jìn)行任何保養(yǎng)維修及大修活動(dòng)時(shí)，都要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，每日的維修保養(yǎng)作業(yè)施工完畢后要由施工負(fù)責(zé)人進(jìn)行質(zhì)量回檢、簽字驗(yàn)收。大修施工要嚴(yán)格執(zhí)行《鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工安全管理辦法》的規(guī)定，使用的材料及機(jī)具應(yīng)提供材質(zhì)說(shuō)明書(shū)和合格證，并按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)。大修施工的施工日志要填寫(xiě)清楚每日的施工內(nèi)容、安全、質(zhì)量及施工中存在的問(wèn)題。對(duì)部分隱蔽施工、關(guān)鍵程序必須要有監(jiān)理和監(jiān)護(hù)，施工要有監(jiān)理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)及施工單位三方簽字確認(rèn)合格后方可繼續(xù)施工。

圖3 橋梁安全運(yùn)營(yíng)保障體系

三、結(jié)語(yǔ)

隨著朔黃鐵路擴(kuò)能改造的快速發(fā)展，25 t軸重的2萬(wàn)t牽引列車(chē)運(yùn)營(yíng)在即，重載運(yùn)輸對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)要求也越來(lái)越高。只有建立集檢查檢測(cè)、評(píng)估與快速維修加固一體化的橋梁安全運(yùn)營(yíng)保障體系（圖3），提出橋梁科學(xué)維管的對(duì)策，盡快完成橋梁的全面普檢與定期評(píng)估，實(shí)時(shí)掌握橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，結(jié)合有效的病害整治措施，才能做到橋梁的科學(xué)維護(hù)管理，確保運(yùn)營(yíng)安全。

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［6］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)涵［2004］120鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2004．