重載鐵路并置T梁橫向加固運(yùn)營(yíng)性能研究

羅慧剛

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州　062350)

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重載鐵路并置T梁橫向加固運(yùn)營(yíng)性能研究

羅慧剛

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州062350)

摘要：隨著我國(guó)既有鐵路擴(kuò)能運(yùn)輸?shù)膶?shí)施，運(yùn)營(yíng)列車(chē)整列載運(yùn)量和單列軸重的增加，既有鐵路梁體橫向剛度偏小引起橋梁振幅過(guò)大、沖擊振動(dòng)加劇等，嚴(yán)重影響了鐵路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。以朔黃鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁為研究對(duì)象，以不同軸重運(yùn)營(yíng)列車(chē)車(chē)輛輪對(duì)的蛇行波為激振源，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究列車(chē)通過(guò)橫隔板加固聯(lián)結(jié)后橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振幅的響應(yīng)過(guò)程和變化規(guī)律，評(píng)價(jià)梁體的加固效果，為重載鐵路并置梁的加固研究和維護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；并置T梁；加固研究；橫向振動(dòng)試驗(yàn)

0引言

鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，隨著鐵路重載的不斷發(fā)展，單元列車(chē)軸重的加大、列車(chē)牽引質(zhì)量的提升、既有線路的大規(guī)模提速以及行車(chē)密度的不斷增加，鐵路運(yùn)力和經(jīng)濟(jì)效益得到了顯著提高[1]。但是，作為鐵路線路的重要組成部分，橋梁遭受到的沖擊振動(dòng)越來(lái)越大，嚴(yán)重時(shí)必將危及鐵路行車(chē)安全，是影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全的重要因素[2]。結(jié)合我國(guó)鐵路線路重載運(yùn)營(yíng)狀況，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)橫向無(wú)連接的鋼筋混凝土并置梁，由于截面不對(duì)稱(chēng)、兩片梁之間剛度差異導(dǎo)致的橫向剛度不足和荷載偏心，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)跨徑8～12 m的鋼筋混凝土梁橫向和縱向裂縫現(xiàn)象嚴(yán)重，跨徑16～32 m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁支座附近斜裂縫現(xiàn)象開(kāi)始凸顯，重車(chē)線劣化速度加快，動(dòng)撓度超限；(3)圓柱形墩、雙柱墩的橫向剛度偏小，列車(chē)作用下橫向振幅較大；(4)支座出現(xiàn)多種病害，其中板式橡膠支座出現(xiàn)橡膠板開(kāi)裂和脫空現(xiàn)象，搖軸支座的縱向位移偏大超過(guò)規(guī)定值、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；(5)擴(kuò)大基礎(chǔ)橋梁墩臺(tái)存在橫向剛度不足，不均勻沉降導(dǎo)致橋墩傾斜等問(wèn)題。本文主要研究重載列車(chē)對(duì)并置梁的影響，并以朔黃鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橫向加固為例，研究橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加對(duì)并置梁橫向振動(dòng)的影響。

1研究背景

我國(guó)早期修建的T形梁橋，設(shè)計(jì)荷載較低，一般沒(méi)有設(shè)置橫向連接構(gòu)造或是設(shè)置的橫向連接比較薄弱。并置的梁體在列車(chē)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)截面不對(duì)稱(chēng)，空間整體工作性能差，橫向剛度弱，造成梁體內(nèi)外側(cè)變形不一致，梁體產(chǎn)生斜彎曲變形[3]。同時(shí)，車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的蛇形運(yùn)動(dòng)激勵(lì)又將引起橋梁橫向振動(dòng)的加劇，從而導(dǎo)致橋梁橫向振動(dòng)加劇，橫向振幅嚴(yán)重超限。朔黃鐵路作為我國(guó)西煤東運(yùn)的重要數(shù)字化重載鐵路，2014年運(yùn)量已經(jīng)超過(guò)3億t，并且隨著C80-2萬(wàn)t牽引列車(chē)和30 t大軸重單元列車(chē)運(yùn)營(yíng)在即的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前景，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。在既有運(yùn)營(yíng)列車(chē)作用下，并置梁橫向振動(dòng)問(wèn)題日益突出，為保證列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)并置梁進(jìn)行橫向加固，目前對(duì)既有并置梁橫向加固主要是進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)加固，本文主要研究橫向聯(lián)結(jié)的數(shù)量對(duì)并置梁橫向振動(dòng)的影響。

2重載運(yùn)輸條件下并置梁橫向加固分析

2.1有限元模型

利用MIDAS/Civil有限元軟件分析并置T梁的橫向振動(dòng)。計(jì)算模型依據(jù)32 m并置預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁通用圖(專(zhuān)橋2059)建立，采取不同的橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量來(lái)計(jì)算對(duì)比梁體橫向振幅的大小，橫向聯(lián)結(jié)依次為2個(gè)(兩側(cè)梁端)、3個(gè)、5個(gè)、7個(gè)、9個(gè)，通過(guò)調(diào)整約束自由度剛度來(lái)模擬支座對(duì)梁體的約束效果。

圖1　32 m并置T梁有限元模型及橫聯(lián)數(shù)量示意圖

2.2列車(chē)荷載

2.2.1朔黃鐵路運(yùn)營(yíng)列車(chē)荷載圖式

朔黃鐵路為運(yùn)煤專(zhuān)線，線路現(xiàn)行列車(chē)主要是C64、C70、C80等3種型號(hào)運(yùn)煤敞車(chē)，軸重分別為21 t、23 t、25 t，隨著擴(kuò)能運(yùn)輸發(fā)展，軸重30 t的KM98已經(jīng)開(kāi)始試運(yùn)行。C64列車(chē)車(chē)長(zhǎng)為13 430 mm，車(chē)輛定距8 700 mm，軸距1 750 mm，軸重為210 kN；C70列車(chē)車(chē)長(zhǎng)為13 976 mm，車(chē)輛定距9 210 mm，軸距1 800 mm，軸重為230 kN；C80列車(chē)車(chē)長(zhǎng)為12 000 mm，車(chē)輛定距8 200 mm，軸距1 830 mm，軸重為250 kN；KM98列車(chē)車(chē)長(zhǎng)為14 330 mm，車(chē)輛定距10 530 mm，軸距1 860 mm，軸重為300 kN。這4種列車(chē)荷載的荷載圖示如圖2和表1所示。

圖2　朔黃鐵路運(yùn)營(yíng)列車(chē)荷載圖式(2輛)

車(chē)輛型號(hào)軸重F/kNl1/mml2/mml3/mmC64210175069003030C70230180074102930C80250183063701970KM98300186086701500

2.2.2列車(chē)橫向搖擺力荷載圖式

圖3　動(dòng)力分析時(shí)簡(jiǎn)化的列車(chē)荷載圖

橋上列車(chē)橫向搖擺力是指任一時(shí)刻橋上所有車(chē)輛輪對(duì)對(duì)橋梁的側(cè)向水平?jīng)_擊力，它包括各車(chē)輛輪對(duì)對(duì)鋼軌的橫向壓力與側(cè)傾力，列車(chē)在橋上運(yùn)行的任一瞬時(shí)，輪對(duì)橫向壓力由車(chē)輛車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)的側(cè)向水平慣性力引起，這些慣性力同時(shí)引起輪對(duì)對(duì)鋼軌的側(cè)傾力(豎向作用)[4]。鐵路橋梁動(dòng)力學(xué)中通過(guò)測(cè)量得出直線橋梁上的車(chē)輪水平橫向力在10～30 kN范圍內(nèi)，均值為24 kN。就車(chē)輪橫向力對(duì)豎向力的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，表明這種依賴(lài)關(guān)系是很大的，結(jié)果也確證水平橫向力Fs大約為豎向輪力F的1/3[5]。橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅是評(píng)價(jià)橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度的重要指標(biāo)，為了能夠模擬與現(xiàn)實(shí)接近的并置梁動(dòng)力性能，如圖3和表2所示為動(dòng)力分析時(shí)簡(jiǎn)化的列車(chē)荷載(設(shè)計(jì)橫向搖擺力為100 kN)。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為與實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度保持一致，分別使用C64、C70、C80和KM98型列車(chē)和設(shè)計(jì)橫向搖擺力以60 km/h的速度通過(guò)橋梁。

表2　動(dòng)力分析時(shí)列車(chē)橫向搖擺力荷載表

2.3有限元分析結(jié)果

圖4　將車(chē)輛單輪荷載近似模擬的三角形荷載函數(shù)

由于車(chē)輛荷載單輪作用在節(jié)點(diǎn)時(shí)是個(gè)瞬間作用后隨即消失的一種沖擊荷載，所以在計(jì)算分析時(shí)將其近似地模擬為最大值為單輪橫向搖擺力的三角形荷載函數(shù)。如圖4所示，假設(shè)單輪車(chē)輛荷載在t0時(shí)刻開(kāi)始施加到節(jié)點(diǎn)上，經(jīng)過(guò)t1-t0時(shí)間后達(dá)到最大值，又經(jīng)過(guò)t2-t1時(shí)間后該節(jié)點(diǎn)上的力降為0，其中t0和t1之間以及t1和t2之間的時(shí)間差(假設(shè)兩個(gè)時(shí)間差相等)由車(chē)輛的速度和所建模型的節(jié)點(diǎn)間距來(lái)決定。

按照相同車(chē)速選擇荷載圖式作為計(jì)算荷載函數(shù)。本文計(jì)算了32 m簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁橋在不同數(shù)量橫向聯(lián)結(jié)時(shí)，設(shè)計(jì)橫向搖擺力和運(yùn)營(yíng)列車(chē)作用橫向搖擺力對(duì)梁體產(chǎn)生的橫向振幅的變化情況，不同橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的并置T梁在橫向搖擺力作用下橫向振幅最大值，并與《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[6](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《橋檢規(guī)》)規(guī)定的橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度通常值和行車(chē)安全限值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3(《橋檢規(guī)》橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅通常值為2.54 mm,安全限值為3.56 mm)。

表3　并置T梁不同數(shù)量橫聯(lián)動(dòng)力分析時(shí)橫向振幅最大值表

由表3可以看出：(1)隨著列車(chē)軸重的增加，橋跨跨中橫向振幅呈增大趨勢(shì)；(2)隨著橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加，同一列車(chē)同一速度下橋跨跨中橫向振幅呈減小趨勢(shì)；(3)隨著橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的不斷增加，橋跨跨中橫向振幅減小趨勢(shì)逐漸減緩，數(shù)值逐漸接近，說(shuō)明橫向聯(lián)結(jié)達(dá)到一定的數(shù)量之后，橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加對(duì)橫向剛度影響逐漸減弱；(4)當(dāng)32 m并置T梁橫聯(lián)數(shù)量為3個(gè)時(shí)，運(yùn)營(yíng)列車(chē)C64、C70和C80作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅小于《橋檢規(guī)》通常值，KM98和設(shè)計(jì)橫向搖擺力作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅大于《橋檢規(guī)》通常值，且設(shè)計(jì)橫向搖擺力作用下，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅大于《橋檢規(guī)》安全限值；運(yùn)營(yíng)列車(chē)和設(shè)計(jì)橫向搖擺里作用下，至少設(shè)置5個(gè)橫聯(lián)，橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅小于《橋檢規(guī)》通常值。

332 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橫向振動(dòng)試驗(yàn)

橋跨結(jié)構(gòu)的跨中橫向振幅是反應(yīng)橋跨結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)性能的主要參數(shù)，因此在測(cè)試主梁橫向動(dòng)力性能時(shí)主要測(cè)試跨中橫向振幅等振動(dòng)參數(shù)。選取朔黃鐵路菘楊岔河大橋、左線跨京九鐵路特大橋、子牙新河特大橋、南運(yùn)河特大橋、吳官屯大橋五座橋梁的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁，對(duì)其橫向聯(lián)結(jié)加固前(3個(gè)橫聯(lián))和加固后(9個(gè)橫聯(lián))進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，得到橋梁在運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅，并與《橋檢規(guī)》規(guī)定的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較，分析結(jié)構(gòu)加固前后在不同車(chē)輛作用下的橫向振幅。

朔黃鐵路菘楊岔河大橋(128#橋)，中心里程K269+642，橋全長(zhǎng)165.41 m，雙線，孔跨樣式：(1×24 m+4×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用盆式橡膠支座，測(cè)試孔跨為第2孔，梁體已進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為雙柱式橋墩，橋墩基礎(chǔ)為沉井基礎(chǔ)。

朔黃鐵路左線跨京九鐵路特大橋(202#橋)，中心里程K411+966，橋全長(zhǎng)2 058.16 m，單線，孔跨樣式：(39×32 m+2×24 m+22×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用鋼支座，測(cè)試孔跨為第29孔，梁體已進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為矩形板式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

朔黃鐵路子牙新河特大橋(219#橋)，中心里程K460+602，橋全長(zhǎng)3 479.59 m，單線，孔跨樣式：(106×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用盆式橡膠支座，測(cè)試孔跨為第11孔，梁體已進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為單圓柱橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

朔黃鐵路南運(yùn)河特大橋(243#橋)，中心里程K499+979，橋全長(zhǎng)3 571.30 m，單線，孔跨樣式：(25×32 m+2×24 m+2×32 m+1×64 m+57×32 m+3×24 m+19×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和鋼桁梁，全橋預(yù)應(yīng)力混凝土T梁均采用盆式橡膠支座，64 m鋼桁梁采用鋼支座，測(cè)試孔跨為第28孔，梁體已進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為圓端形板式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

朔黃鐵路吳官屯大橋(245#橋)，中心里程K504+042，橋全長(zhǎng)496.20 m，單線，孔跨樣式：(13×32 m+1×24 m+1×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，全橋均采用盆式橡膠支座，測(cè)試孔跨為第12孔，梁體已進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)加固，橋墩為矩形板式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

圖5　32 m預(yù)應(yīng)力混凝土并置T梁橫向加固示意圖(單位：mm)

3.1橫向聯(lián)結(jié)加固方式

由于T形截面不對(duì)稱(chēng)，聯(lián)結(jié)較弱或無(wú)橫隔板聯(lián)結(jié)的并置梁處于斜彎曲受力狀態(tài)，每片梁的兩側(cè)應(yīng)力不均，而且在動(dòng)荷載作用下，兩片梁的振動(dòng)也不同步。在提速改造中，有必要增設(shè)橫隔板，將兩片梁聯(lián)成整體，消除上述影響。分片T形梁的橫向聯(lián)接方式一般采用Φ25 mmⅣ級(jí)精軋螺紋鋼筋作為橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，在橫隔板外側(cè)穿過(guò)兩片梁的腹板，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉錨固，將并置的兩片梁聯(lián)結(jié)成整體，如圖5所示。

3.2實(shí)測(cè)結(jié)果

當(dāng)不同車(chē)輛荷載通過(guò)五座測(cè)試橋梁試驗(yàn)孔跨時(shí)，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度基本位于55～65 km/h之間，因此將其視為一個(gè)速度區(qū)間，試驗(yàn)橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4　試驗(yàn)孔跨并置T梁橫向聯(lián)結(jié)加固后橫向振幅最大平均值表

由表4中數(shù)據(jù)可得：(1)試驗(yàn)孔跨并置T梁橫向聯(lián)結(jié)加固前，結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅普遍較大，試運(yùn)營(yíng)列車(chē)C80作用下，跨中橫向振幅有大于《橋檢規(guī)》通常值情況出現(xiàn)；(2)試驗(yàn)孔跨并置T梁通過(guò)橫向聯(lián)結(jié)加固后，跨中橫向振幅明顯減小，減小了70%左右，小于《橋檢規(guī)》規(guī)定的通常值，表明加固后橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度能夠滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求。

4結(jié)論

鐵路橋梁承受重型活載，尤其是重載鐵路，隨著軸重和行車(chē)速度的提高，橋梁不僅要有足夠的強(qiáng)度和豎向剛度，還要有良好的橫向剛度，橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅能直接反應(yīng)橋跨結(jié)構(gòu)的橫向剛度。

(1) 并置T梁橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅不僅僅與列車(chē)軸重有關(guān)系，且與并置梁之間橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量有直接關(guān)系。在提速改造中，分片式簡(jiǎn)支梁橫隔板缺少或由薄弱引起的斷裂問(wèn)題嚴(yán)重影響橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)。

(2)通過(guò)理論計(jì)算32 m并置T梁不同數(shù)量的橫向聯(lián)結(jié)對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅的影響可以得出，通過(guò)橫向聯(lián)結(jié)能夠提高橋跨結(jié)構(gòu)的橫向剛度，且隨著橫向聯(lián)結(jié)數(shù)量的增加，橫向剛度的增加趨勢(shì)變緩，當(dāng)完好聯(lián)結(jié)數(shù)量為5個(gè)以上時(shí)，橋梁的橫向剛度能夠滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)營(yíng)要求。

(3)通過(guò)對(duì)朔黃鐵路32 m并置T梁橫向聯(lián)結(jié)加固前后的橫向振動(dòng)試驗(yàn)可以得出，加固后橋跨結(jié)構(gòu)橫向振幅約為加固前的30%左右，橫向剛度提升較多，滿(mǎn)足《橋檢規(guī)》規(guī)定的通常值和安全限值及運(yùn)營(yíng)要求， 32 m并置T梁采用該工藝進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié)加固效果較好。

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Study on Operation Performance of Transversely Reinforced Heavy Load Railway Juxtaposition T-Beams

Luo Huigang

(The Development Co. Ltd. of the Shuo-Huang Railway, Cangzhou 062350, China)

Abstract:With the implementation of heavy load railway transportation and the increasing of the entire train operating capacity and single axle load, the transverse amplitude of the existing railway girder is too large and the impact vibration is increased due to too small stiffness, seriously affecting the safe operation of the railway bridge. This paper takes the 32 m prestressed concrete juxtaposition of T-beam of Shuo-Huang Railway as the research object, by using the test hunting curves of wheel set of the train as excitation, theoretical analysis and the field measurement method is adopted to study the transverse amplitude response process and the change rule of the train passing through the the bridge span structure with horizontal clapboard reinforcement connection, and assess the strengthening effect of the girder, and provide scientific basis for strengthening and maintenance management research of heavy haul railway juxtaposition beam.

Key words:heavy railway; the juxtaposition of T beam; reinforcement study; vibration experiment

中圖分類(lèi)號(hào)：U443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-0373(2016)01-0020-05

作者簡(jiǎn)介：羅慧剛(1975-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事交通運(yùn)輸工程專(zhuān)業(yè)的研究。E-mail: zhouruich@163.com

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2012G011-A-1)

收稿日期：2015-03-17責(zé)任編輯:車(chē)軒玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.04

羅慧剛.重載鐵路并置T梁橫向加固運(yùn)營(yíng)性能研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(1):20-24.