基于六五式鐵路軍用橋墩的重載鐵路墩部搶修應(yīng)用研究

程 泳

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

目前，鐵路重載已成為諸多國家貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向，相比于普通鐵路運(yùn)輸方式，鐵路重載可顯著提高運(yùn)輸能力。為解決我國運(yùn)輸能力緊張的問題，我國相繼建成大秦、朔黃、晉中南和浩吉四條重載鐵路，受限于地勢(shì)限制或出于解決土地的目的，上述鐵路修建了大量橋梁，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，大秦、晉中南和朔黃鐵路的橋梁孔數(shù)分別為3 562孔、9 018孔和2 554孔。橋梁因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在戰(zhàn)時(shí)或自然災(zāi)害突發(fā)時(shí)，容易遭受破壞，且易毀難修。為保障鐵路橋梁在遭受破壞后能夠快速形成通行能力，我國于20世紀(jì)先后研制了用于梁部搶修的六四式鐵路軍用梁、八七型鐵路應(yīng)急搶修鋼梁、拆裝式桁梁以及用于墩部搶修的六五式鐵路軍用橋墩、八三式鐵路輕型軍用橋墩。限于研制年代技術(shù)水平，上述鐵路橋梁搶修器材僅適用于普速鐵路。為滿足鐵路快速發(fā)展所帶來的保障需求，謝愛華[1-3]開展了新型中等高度橋墩、新式活動(dòng)棧橋、浮箱三種搶修器材的相關(guān)研究。高占軍[4]針對(duì)快速鐵路搶修需求探討了新型搶修器材所需具備的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)條件。由于現(xiàn)階段沒有重載鐵路橋梁搶修所需專用器材，鄭捷[5]開展了拆裝式桁梁用于重載鐵路梁部搶修的可行性研究，明確了重載運(yùn)輸時(shí)不同跨度、不同拼組形式拆裝式桁梁的受力薄弱部位，為重載鐵路橋梁梁部搶修提供了技術(shù)支撐。橋墩作為橋跨支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)安全性更加重要，但尚未見重載鐵路墩部搶修研究的相關(guān)報(bào)道。本文以六五式鐵路軍用橋墩(簡稱六五墩)為研究對(duì)象，進(jìn)行六五墩用于重載鐵路墩部搶修的應(yīng)用研究，研究成果可進(jìn)一步豐富重載鐵路橋梁搶修的技術(shù)體系。

1 影響因素分析

為探討六五墩用于重載鐵路墩部搶修的可行性，首先需要明確六五墩使用的影響因素。影響六五墩使用性能的主要因素為：荷載、配合梁跨及六五墩墩型三種，現(xiàn)分別展開分析。

1.1 配合梁跨

利用六五墩進(jìn)行重載鐵路墩部搶修時(shí)，首先需要確定待搶修橋梁跨度，為使分析更具針對(duì)性，表1統(tǒng)計(jì)了大秦、朔黃和晉中南重載鐵路橋梁的跨度情況。

表1 重載鐵路橋梁跨度數(shù)量

分析表1可知，既有重載鐵路橋梁以32 m跨度為主，再輔以24 m跨度，其它小跨度橋梁占比很小，故本文重點(diǎn)對(duì)六五墩配跨24 m、32 m兩種跨度進(jìn)行分析。

1.2 荷載分析

六五墩原設(shè)計(jì)荷載為中-活載，現(xiàn)行重載鐵路設(shè)計(jì)荷載為ZH荷載(z為荷載系數(shù)，z=1.0、1.1、1.2)，如圖1所示。進(jìn)行六五墩受力分析時(shí)需要考慮主力和附加力，其中，主力主要包括結(jié)構(gòu)自重、ZH荷載反力、沖擊力和離心力；附加力主要包括制動(dòng)力、風(fēng)力、搖擺力和水流沖擊力。鑒于離心力、水流沖擊力與曲線半徑、水流速度相關(guān)，而重載鐵路橋梁大多數(shù)位于無水、直線線路地段，因此，本文分析時(shí)未考慮離心力和水流沖擊力影響。

圖1 ZH荷載圖式

主力荷載取值時(shí)：結(jié)構(gòu)自重包括搶修鋼梁自重和搶修橋墩自重，依據(jù)既有研究，搶修鋼梁采用拆裝式桁梁，其中24 m拆裝梁自重約33 t，32 m拆裝梁自重約55 t；搶修橋墩自身由其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定，分析時(shí)計(jì)算程序自動(dòng)賦予。ZH荷載反力根據(jù)梁部通行荷載情況計(jì)算后施加于墩頂。

附加力荷載取值時(shí),橫向搖擺力、風(fēng)力依據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002—2017)中的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。沖擊系數(shù)的選取依據(jù)《六五式鐵路橋墩簡明手冊(cè)》。制動(dòng)力與列車豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力按列車靜活載的7%計(jì)算。

1.3 墩型選擇

六五墩為拼裝式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)之初根據(jù)通行荷載及搶修鋼梁跨度不同，設(shè)計(jì)了適用于不同高度區(qū)間的橋墩結(jié)構(gòu)型式。鑒于在橋墩結(jié)構(gòu)形式相同時(shí)，其墩身越高受力越不利的情況，分析時(shí)均采用各結(jié)構(gòu)形式的最大適用墩高進(jìn)行，具體如表2所示。

2 可行性分析

2.1 計(jì)算工況

在通行速度較低的情況下，搶修橋墩的計(jì)算需要重點(diǎn)關(guān)注其結(jié)構(gòu)受力和整體穩(wěn)定性的情況。橋梁搶修完畢后，其上通行荷載存在重載、空載多種方式，在比較分析的基礎(chǔ)上，選取對(duì)搶修鋼墩受力較為不利的三種情況展開分析，分別為：雙孔重載、單孔重載、雙孔空車通行。在此基礎(chǔ)上考慮荷載組合方式，形成6種計(jì)算工況，如表3所示。

表2 六五墩常規(guī)墩型

表3 計(jì)算工況

確定分析工況后，需要明確配合梁跨。由上文分析可知，六五墩配合梁跨主要為24 m和32 m兩種。鑒于24 m和32 m跨度進(jìn)行組合時(shí)，24 m+24 m跨度組合墩頂反力最小，32 m+32 m跨度組合墩頂反力最大，故分別以24 m+24 m和32 m+32 m對(duì)研究對(duì)象，結(jié)合表3所示工況展開分析。

六五墩能否用于重載鐵路搶修，取決于桿件受力與其設(shè)計(jì)承載能力的比較，為便于分析，表4給出了六五墩各部位承載力限值，表中位移依據(jù)《鐵路橋梁搶修(建)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算求得。

表4 六五墩桿件承載力限值及位移要求

2.2 受力分析

利用有限元軟件Madis Civil軟件建立整體有限元模型，分析時(shí)墊梁和立柱采用梁單元，聯(lián)接系角鋼采用桁架單元，假定地基處理合格，橋墩下墊梁與地基剛接。

2.2.1 配跨24 m+24 m

依據(jù)表3所列工況，對(duì)六五墩配跨24 m+24 m拆裝梁用于重載鐵路墩部搶修時(shí)進(jìn)行受力分析，提取六五墩各部位最不利工況下的數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表5所示，表中“*”表示超過受力限值。由表5可知：

(1)當(dāng)z=1.0時(shí)，3×3墩型的受力薄弱部位有立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移兩處；3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移三處；3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移兩處。

表5 配跨24 m+24 m拆裝梁受力分析結(jié)果

(2)當(dāng)z=1.1時(shí)，3×3、3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移三處；3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型的受力薄弱部位與z=1.0時(shí)相同。

(3)當(dāng)z=1.2時(shí)，3×3、3×4墩型與z=1.1時(shí)的受力薄弱部位相同；4×4、4×6墩型的受力薄弱部位有墊梁腹板、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移三處；3×5、4×5、5×6受力薄弱部位與z=1.0時(shí)相同。

2.2.2 配跨32 m+32 m

仍依據(jù)表3所列工況，對(duì)六五墩配跨32 m+32 m拆裝梁用于重載鐵路墩部搶修時(shí)進(jìn)行受力分析，提取六五墩各部位最不利工況下的數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表6所示，表中“*”含義與表5相同。由表6可知：

(1)當(dāng)z=1.0時(shí)，3×3墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移四處；3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移三處；4×4墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移四處；4×5、4×6墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移三處；3×5、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移兩處。

(2)當(dāng)z=1.1時(shí)，3×3、3×4墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移四處；4×4、4×6墩型的受力薄弱部位與z=1.0時(shí)一樣；4×5墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立柱、部分立面斜撐、橋墩縱向位移四處；3×5、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移三處。

(3)當(dāng)z=1.2時(shí)，3×3、3×4、3×5、4×5、5×6墩型的受力薄弱部位與z=1.1時(shí)相同；4×4墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立柱、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移五處；4×6墩型的受力薄弱部位有部分墊梁、部分立柱、部分立面斜拉撐、橋墩縱向位移四處。

2.3 加固措施

六五墩用于重載鐵路墩部搶修時(shí)，共有墊梁、部分立柱、部分立面斜拉撐、立柱與下墊梁連接處、橋墩縱向位移五處受力薄弱部位。其中：

表6 配跨32 m+32 m拆裝梁受力分析結(jié)果

(1)立面斜拉撐、橋墩縱向位移超限情況最為突出，在配跨24 m+24 m和32 m+32 m時(shí)的七種墩型中均有出現(xiàn)。對(duì)于斜撐桿超限情況，安裝條件容許時(shí)可采用雙肢撐桿，安裝條件不容許時(shí)可新制大截面撐桿單肢安裝，同時(shí)需要驗(yàn)算連接螺栓的承載力；對(duì)于縱向位移超限情況，需要提高橋墩縱向剛度，可通過降低使用墩高、增大橋墩縱向截面等方式實(shí)現(xiàn)。

(2)墊梁以及立柱與下墊梁連接處受力超限情況在三種墩型中存在，且配跨32 m+32 m時(shí)的超限數(shù)量多于配跨24 m+24 m。鑒于墊梁為剪應(yīng)力超限，可通過在腹板外貼鋼板的方法提高其承載能力；對(duì)于立柱與下墊梁連接處受力超限情況，由于立柱與下墊梁之間無法增加螺栓數(shù)量，可在立柱、下墊梁連接處增加額外連接方式，例如采用角鋼、卡板等連接立柱和下墊梁，但要注意立柱或墊梁與新增連接件連接位置的局部受力情況。

(3)立柱軸力超限僅在配跨32 m+32 m時(shí)存在，且當(dāng)荷載系數(shù)z=1.2時(shí)最為普遍，七種墩型均存在超限現(xiàn)象。進(jìn)一步分析立柱位置發(fā)現(xiàn)，軸力超限的立柱主要位于橋墩中部，主要原因是上部荷載在各立柱間分配不均所致，可通過增加上墊梁剛度、調(diào)整墊梁位置等方式調(diào)整荷載橫向分布，增大邊柱和橋墩中部立柱的協(xié)同受力。

3 結(jié)論

(1)六五墩手冊(cè)中現(xiàn)有墩型不能直接用于重載鐵路墩部搶修，但可依據(jù)具體工程進(jìn)行檢算，并對(duì)部分桿件內(nèi)力或墩頂位移超限情況采取相應(yīng)技術(shù)措施加固后，進(jìn)行重載鐵路墩部搶修。

(2)依據(jù)六五墩用于重載鐵路墩部搶修所需加固難易程度，推薦墩型選取原則為：配跨24 m+24 m拆裝梁且系數(shù)z=1.0、1.1時(shí)，可選用3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型；當(dāng)z=1.2時(shí)，可選用3×5、4×5、5×6墩型。墩配跨32 m+32 m拆裝梁且系數(shù)z=1.0、1.1時(shí)，可選用3×5、4×5、4×6、5×6墩型；當(dāng)z=1.2時(shí)，可選用3×5、4×6墩型。