重載列車與既有鐵路簡支梁橋的適應(yīng)性研究①

戴公連，朱俊樸，閆斌

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

近年來，我國的重載鐵路建設(shè)進(jìn)入了迅速發(fā)展的階段［1－2］。繼大秦、大準(zhǔn)鐵路上成功運(yùn)行了25 t重載列車后，我國即將建成運(yùn)行軸重30 t列車的山西中南部鐵路和蒙西至華中運(yùn)煤鐵路等重載運(yùn)輸通道［3］。同時針對包神、神朔鐵路等重載電氣化運(yùn)煤專線進(jìn)行技術(shù)改造以提高列車軸重［4－5］。橋梁作為重載鐵路建設(shè)和改造的重要工程結(jié)構(gòu)之一，研究重載列車與既有鐵路橋梁的適應(yīng)性問題具有重要意義。為研究既有鐵路24 m簡支梁橋上運(yùn)行軸重30 t重載列車的可行性，本文建立了考慮溫度、收縮徐變和活載的24 m普鐵標(biāo)準(zhǔn)簡支T梁和高鐵標(biāo)準(zhǔn)簡支箱梁空間有限元分析模型，分析了2種簡支梁橋在現(xiàn)行活載模式及溫度、收縮徐變組合作用下，橋梁的應(yīng)力、強(qiáng)度、抗裂和變形等指標(biāo)。提出2種適用于軸重30 t重載列車運(yùn)行的24 m簡支梁橋結(jié)構(gòu)。

1 既有鐵路簡支梁橋在現(xiàn)行活載模式作用下的受力特性

普鐵簡支T梁結(jié)構(gòu)形式參照通橋(2005)2101－II(圖1)，梁體采用C55混凝土，橋上鋪設(shè)雙線有砟軌道，二期恒載180 kN/m2?；诖笮屯ㄓ糜邢拊浖⒘焊穹Ｐ汀；诹焊穹ú捎昧簡卧?片T梁，除支座附近單元數(shù)加密外，其余單元長度取1 m，每隔4 m設(shè)置橫隔板1道，為增強(qiáng)橫向聯(lián)系，2道橫隔板間設(shè)置虛擬橫梁，虛擬梁容重取0。用梁單元建立濕接縫，材料強(qiáng)度同梁體，解除兩端轉(zhuǎn)動約束形成鉸接。通過虛擬連桿將濕接縫兩端節(jié)點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)連接起來。通過等效力法，把預(yù)應(yīng)力等效成集中力進(jìn)行偏心施加［6］。

考慮2列車在橋上交匯時的情況，采用桿單元模擬雙線軌道并定義活載模式和行車方式，組合成2車活載通過全橋時的最不利活載工況。在中－活載荷載組合(自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+溫度+收縮徐變+列車活載)的作用下，可得出邊梁和中梁上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖，見圖2。

計(jì)算運(yùn)營階段正截面抗彎強(qiáng)度、正截面抗裂性、斜截面抗裂性、混凝土壓應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力幅、混凝土剪應(yīng)力、傳力錨固階段預(yù)應(yīng)力鋼筋錨下控制應(yīng)力、傳力錨固階段的混凝土法向應(yīng)力、梁體的豎向撓度和梁端轉(zhuǎn)角等指標(biāo)，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均符合我國現(xiàn)有規(guī)范要求［7］。

高鐵簡支箱梁結(jié)構(gòu)形式參照通橋(2008) 2322A－I圖紙，梁體混凝土標(biāo)號取為C50，混凝土容重取26 kN/m2，橋上鋪設(shè)雙線無砟軌道，二期恒載為150 kN/m2，截面圖見圖3。

圖1 普鐵簡支T梁跨中截面圖Fig.1 Midspan sectional view of common railway T－shaped beam

在ZK活載荷載組合(自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+溫度+收縮徐變+列車活載)作用下，可得出梁體上緣和下緣應(yīng)力包絡(luò)圖，見圖4。

計(jì)算ZK活載組合下梁體的受力和變形特性，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均符合我國現(xiàn)有規(guī)范要求［8］。

2 既有鐵路簡支梁橋在30 t軸重ZH活載組合作用下受力特性

對于普鐵簡支T梁，計(jì)算30 t軸重ZH活載組合(自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+溫度+收縮徐變+列車活載)作用下的受力和變形特性，得到邊梁和中梁上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖，見圖5。

圖2 中－活載荷載組合作用下的應(yīng)力Fig.2 Stress diagram under the action of CR－live load

圖3 高鐵箱梁跨中截面示意圖Fig.3 Midspan sectional view of high－speed railway box girder

圖5 ZH活載荷載組合作用下T梁的應(yīng)力Fig.5 Stress diagram of T－shaped beam under the the action of ZH live load

運(yùn)營階段下緣的最大拉應(yīng)力0.28 MPa不滿足現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范;邊梁的正截面抗彎強(qiáng)度系數(shù)為1.85小于2.00，中梁的正截面抗彎強(qiáng)度系數(shù)為1.99小于2.00均不滿足現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范;運(yùn)營階段正截面抗裂性、斜截面抗裂性、混凝土壓應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力幅、混凝土剪應(yīng)力和傳力錨固階段預(yù)應(yīng)力鋼筋錨下控制應(yīng)力、混凝土法向應(yīng)力、梁體的豎向撓度和梁端轉(zhuǎn)角等指標(biāo)均滿足我國現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范。

對于高鐵簡支箱梁，計(jì)算30 t軸重ZH活載組合(自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+溫度+收縮徐變+列車活載)作用下的受力和變形特性，得到梁體上、下緣應(yīng)力包絡(luò)圖，見圖6。

通過計(jì)算，得出高鐵簡支箱梁的受力和變形特性情況，見表2。在ZH活載作用下:箱梁的運(yùn)營階段正截面抗彎強(qiáng)度系數(shù)為1.95小于2.00不滿足現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范;運(yùn)營階段上(下)緣的應(yīng)力值、正截面抗裂性、斜截面抗裂性、混凝土壓應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力幅、混凝土剪應(yīng)力和傳力錨固階段預(yù)應(yīng)力鋼筋錨下控制應(yīng)力、梁體的豎向撓度和梁端轉(zhuǎn)角等指標(biāo)均滿足我國現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范。

表1 普鐵簡支T梁在中－活載、ZH活載組合作用下的主要計(jì)算結(jié)果Table 1 Main results under the action of CR－live load and ZH live load of common railway T－shaped simply－supported beam

表2 高鐵簡支箱梁在ZK活載、ZH活載組合作用下的主要計(jì)算結(jié)果Table 2 Main results under the action of ZK live load and ZH live load of high－speed railway simply－supported box girder

圖6 ZH活載荷載組合作用下箱梁的應(yīng)力Fig.6 Stress diagram of box girder under the action of ZH live load

3 適用于30 t重載列車的24 m簡支梁設(shè)計(jì)

為了運(yùn)行30 t軸重的重載列車，可以在普鐵通橋(2005)2101－II和高鐵通橋(2008)2322A－I的基礎(chǔ)上，通過增大梁高、增加預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量等措施設(shè)計(jì)適合30 t軸重重載列車運(yùn)行的24 m簡支T梁和簡支箱梁。

3.1 簡支T梁的設(shè)計(jì)

重載貨車軸重大、軸對數(shù)多，其列車活載效應(yīng)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)中活載的1.35倍左右。同時線路在平原地區(qū)和樞紐站場內(nèi)梁高往往受限，但梁高過低則不能滿足結(jié)構(gòu)受力及梁體剛度的要求［9－10］，為提高梁體承載力且控制梁高，在通橋(2005)2101－II基礎(chǔ)上，將梁高由2.10 m僅增加到2.30 m;腹板厚度根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋保護(hù)層厚度的要求，以及規(guī)范中關(guān)于腹板高不大于腹板厚度15倍的規(guī)定［7］，將腹板厚度增加到0.24 m，截面如圖7所示。

由于重載鐵路橋梁二期恒載和活載均較大［11－13］，為減小下緣拉應(yīng)力需增加預(yù)應(yīng)力，但預(yù)應(yīng)力過大又會引起梁體變形加大，同時還影響存梁、運(yùn)輸時支點(diǎn)的設(shè)置位置。本文提出:中梁的預(yù)應(yīng)力采用與邊梁相同的配置形式，通過調(diào)整中(邊)梁預(yù)應(yīng)力布置提高簡支T梁對重載列車的適應(yīng)性［14－15］。

圖7 本文設(shè)計(jì)的T跨中截面圖Fig.7 Midspan sectional view of new designed T－shaped beam

表3 T梁預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)比較Table 3 Comparison of T－shaped beam prestressed reinforcement design parameters

計(jì)算30 t軸重ZH活載組合(自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+溫度+收縮徐變+列車活載)作用下梁體的受力和變形特性，得出的計(jì)算結(jié)果均符合我國現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范［16］，見表4。

3.2 簡支箱梁的設(shè)計(jì)

與通橋(2008)2322A－Ⅰ相比，本文設(shè)計(jì)的簡支箱梁在截面尺寸方面，梁高由2.45 m增加到2.55 m，截面見圖8。

圖8 本文設(shè)計(jì)的箱梁跨中截面圖Fig.8 Midspan sectional view of new designed box girder

表4 本文設(shè)計(jì)的簡支T梁在中－活載、ZH活載組合作用下主要計(jì)算結(jié)果Table 4 Main results under the action of CR－live load and ZH live load of new designed T－shaped simply－supported beam

考慮重載鐵路二期恒載較大，本設(shè)計(jì)取二期恒載為190 kN/m2。預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行了部分調(diào)整，見表5。

計(jì)算30 t軸重ZH活載組合(自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+溫度+收縮徐變+列車活載)作用下梁體的受力和變形特性，得出的計(jì)算結(jié)果均符合我國現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范［16］。其主要計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 箱梁預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計(jì)參數(shù)比較Table 5 Comparison of T－shaped beam prestressed reinforcement design parameters

表6 本文設(shè)計(jì)的簡支箱梁在ZH活載組合作用下主要計(jì)算結(jié)果Table 6 Main results under the action of ZH live load of new designed simply－supported box girder

3.3 本文梁型與既有鐵路梁型經(jīng)濟(jì)性比

為滿足重載鐵路對剛度的更大要求，本文設(shè)計(jì)的簡支T梁與普鐵簡支T梁相比，混凝土用量多6.71%，鋼絞線用量多11.82%。本文設(shè)計(jì)的簡支箱梁與高鐵簡支箱梁相比，混凝土用量增加2.44%，鋼絞線用量增加10.14%。本文設(shè)計(jì)的簡支T梁在ZH活載組合作用下的下緣最小應(yīng)力比中－活載組合作用下小42.32%;簡支箱梁在ZH活載組合作用下的下緣最小應(yīng)力比ZK活載組合作用下小63.12%，箱梁的應(yīng)力變化值較T梁的大。與普鐵簡支T梁相比，本文設(shè)計(jì)的T梁重量增加6.75%;與高鐵簡支箱梁相比本文設(shè)計(jì)的箱梁重量增加了4.23%。重載鐵路簡支T梁和簡支箱梁的重量有一定程度的增加，這主要是由于重載鐵路對剛度要求更大［17］。關(guān)鍵截面的應(yīng)力與變形數(shù)據(jù)見表7。

表7 關(guān)鍵截面的應(yīng)力與變形Table 7 Stress and deformation of the key cross－sections

4 結(jié)論

(1)對于高鐵24 m簡支箱梁而言，其抗彎強(qiáng)度系數(shù)為1.95;對于普鐵簡支T梁而言，其抗彎強(qiáng)度系數(shù)小于1.99，跨中下緣最大拉應(yīng)力達(dá)0.28 MPa，均不滿足現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范。這說明普鐵和高鐵24m簡支梁并不適用于運(yùn)行軸重30 t重載列車。

(2)對于本文提出的可用于30 t重載列車運(yùn)行的24 m簡支T梁和箱梁結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)行活載模式以及溫度、收縮徐變組合作用下，兩者受力及變形情況均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，且有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

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