重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土T梁斜裂縫成因分析與試驗研究

劉永前，李 勇，楊 明，許宏偉

(1.石家莊鐵道大學 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043；2.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵源工程檢測有限公司，河北 石家莊 050043)

自20世紀80年代起，我國開始研究重載技術(shù)并發(fā)展重載鐵路。根據(jù)國際通用的重載鐵路標準，要求重載鐵路應(yīng)滿足三條標準，即列車載質(zhì)量不低于8 000 t，貨車單軸軸重達到270 kN及以上，及在長度不小于150 km的鐵路線上且年貨運量不低于4 000萬t[1]。與國外的重載鐵路相比，我國既有鐵路設(shè)計軸重普遍偏低，只有新建的瓦日鐵路、蒙華鐵路設(shè)計軸重達到270 kN以上，因此我國重載鐵路的發(fā)展現(xiàn)階段主要采取對既有鐵路進行擴能改造的模式進行，通用貨車的單軸軸重由210、230 kN逐步向250、270 kN乃至300 kN發(fā)展，目前我國主要的運煤專線大秦和朔黃鐵路開行的重載列車軸重已經(jīng)達到250 kN，見表1。

表1 既有重載鐵路線擴能運輸現(xiàn)狀

隨著擴能運輸改造和重載鐵路快速發(fā)展，列車軸重、運行密度及編組數(shù)量均大幅提高。列車軸重的不斷提高使得橋梁承受的豎向荷載增大，并且列車對橋梁的橫向沖擊作用也相應(yīng)增大，運營密度提高使得列車荷載對橋梁的疲勞作用次數(shù)增多，導致部分既有橋梁在強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的安全儲備大大降低[2～5]。

預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁是重載鐵路橋梁中最為常用的結(jié)構(gòu)形式，總占比達到95%以上，其中32 m標準梁型約占67%。隨著列車軸重的提高，一些預(yù)應(yīng)力混凝土T梁梁端普遍出現(xiàn)了斜向開裂的現(xiàn)象[6-7]，本文將對T梁斜裂縫的成因及其對重載運營的影響進行詳細的分析研究，為我國鐵路重載擴能改造提供借鑒。

1 重載鐵路擴能運輸對橋梁力學性能的影響

1.1 列車提載對橋梁荷載效應(yīng)的影響

列車軸重的提高，勢必會降低橋梁的設(shè)計抗力安全儲備，目前既有線重載鐵路橋梁的設(shè)計荷載為中-活載見圖1(a)；而運營荷載主要為C64、C70和C80，見圖1(b)～圖1(d))；軸重為270 kN的重載列車也逐步開通，見圖1(e)。C64、C70和C80分別與中-活載產(chǎn)生的活載效應(yīng)比值隨橋梁跨徑的變化規(guī)律見圖2。由圖2可知，隨著軸重的增大，效應(yīng)比值也隨之增大；橋梁跨徑在8～12 m區(qū)間的荷載效應(yīng)比值由0.60增加到0.95左右，中小跨徑混凝土橋梁承載能力安全儲備降低；橋梁跨徑在16～24 m區(qū)間內(nèi)荷載效應(yīng)比值出現(xiàn)最小值，跨徑大于24 m后荷載效應(yīng)比值隨著跨徑增大而增大。當軸重達到270 kN時，列車荷載效應(yīng)接近設(shè)計中活載效應(yīng)。

圖1 列車荷載模式(單位：m)

圖2 不同列車荷載與設(shè)計中活載的靜效應(yīng)比值

在2014年常態(tài)化開通軸重250 kN、2萬t牽引的C80列車后，通過對朔黃鐵路公司管轄內(nèi)的266座(1 774孔)橋梁進行跟蹤檢查，主梁出現(xiàn)梁端斜裂縫病害的橋梁有共計37座(共219孔，總長6 148 m)，其中以32 m跨徑的T梁出現(xiàn)斜裂縫的孔數(shù)較多，見表2。由表2可見，32 m跨徑T梁出現(xiàn)斜裂縫163孔，占病害橋梁的比例達74.43%。

表2 出現(xiàn)斜裂縫的各類跨徑T梁的數(shù)量及比例

1.2 斜裂縫對T梁受力性能的影響

實測T梁梁端斜裂縫均出現(xiàn)在腹板外側(cè)，沿斜向分布2～3條大致平行裂縫，裂縫位置基本位于距梁端1倍梁高范圍內(nèi)，多處于梁端變截面區(qū)域的腹板內(nèi)，裂縫性質(zhì)類似于腹剪斜裂縫，最寬處往往在中和軸附近，斜裂縫方向大致呈45°的角度。

本文以朔黃鐵路小艮河大橋為例，對32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁進行運營性能試驗研究，分析梁端斜裂縫對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能以及運營狀態(tài)的影響程度，見圖3。

圖3 單跨32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁截面尺寸(單位：mm)

該大橋為雙線橋，橋梁全長240 m，由7孔32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁組成，全橋支座采用盆式橡膠支座；橋墩為單線圓端型板式柱墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。梁端腹板箍筋間距為80 mm，箍筋直徑為10 mm，箍筋采用HRB335鋼筋，混凝土強度等級為C50，單孔T梁共布置18束7Φ15.24 mm鋼絞線，兩端張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，其中在梁端處上彎并錨固于梁端腹板內(nèi)的鋼束有6束，其余鋼束在梁端處均錨固于馬蹄內(nèi)。

選取該橋中存在斜裂縫的第4孔上行側(cè)T梁和完好狀態(tài)的第3孔上行側(cè)T梁分別進行測試并對結(jié)果進行對比，見圖4，運營測試結(jié)果見圖5，實測最大值對比見表3。

圖4 動載試驗測點布置

圖5 運營試驗測試結(jié)果

表3 動力測試實測最大值對比

由圖5和表3可知，C64、C70和C80運營列車過橋時，第4孔病害T梁的跨中橫向振幅、豎向振幅、橫向加速度及豎向加速度實測值峰值均大于第3孔完好T梁，最大增長率分別為26.92%、27.78%、28.57%和9.59%，表明斜裂縫對第4孔病害T梁的橫向和豎向剛度有所減弱，均小于第3孔完好T梁。但是，第4孔病害T梁的橫向振幅和橫向加速度峰幅值仍遠小于規(guī)范規(guī)定的限值(分別為3.56 mm和1.4 m/s2)，說明第4孔病害T梁的受力性能仍能滿足列車的通行要求。

1.3 斜裂縫寬度長期監(jiān)測結(jié)果

為了考察T梁梁端斜裂縫在提載之后的發(fā)展規(guī)律，在第4孔梁端跨斜裂縫(初始寬度0.1 mm)布置了全橋接法的應(yīng)變傳感器進行裂縫寬度實時監(jiān)測，根據(jù)所測試的應(yīng)變與傳感器標距的比值得到斜裂縫寬度，進而獲得斜裂縫寬度隨時間的發(fā)展變化情況，見圖6，最后通過DASP-MTS大型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳至云平臺并可進行實時預(yù)警。

圖6 斜裂縫長期監(jiān)測結(jié)果

由圖6可知，重載鐵路擴能提載后，并置T梁雖然出現(xiàn)了梁端斜裂縫的現(xiàn)象，但是在截取的監(jiān)測時間段內(nèi)(約120 d)，梁端斜裂縫寬度未見明顯增長，過車時裂縫寬度會增大，但最大增幅不超過0.2 mm，且當列車通過橋梁后斜裂縫會恢復(fù)到初始寬度。但是，斜裂縫的出現(xiàn)勢必會影響橋梁的耐久性，且在重載列車疲勞荷載作用下裂縫發(fā)展會越來越嚴重，所以應(yīng)當對梁端斜裂縫進行封閉或加固處理[8-9]。

2 T梁梁端受力性能分析

既有鐵路擴能運輸條件下，列車軸重的提高勢必會帶來橋梁梁端彎剪區(qū)內(nèi)力響應(yīng)的增加，進而會增大主拉應(yīng)力，而對于運營橋梁而言，提載后對同一座橋梁，既有未開裂孔跨也有開裂孔跨，說明主梁自身的材料特性也會對斜裂縫的發(fā)展有所影響，如混凝土離散性導致的強度等級差異、預(yù)應(yīng)力筋損失程度不同導致的差異等。

選取前述32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進行有限元建模，分別考慮荷載(C64、C70、C80和C80(270 kN)，考慮動力系數(shù)1.2)、混凝土強度(C40～C60)、預(yù)應(yīng)力損失(10%～40%，兩端張拉，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa)三個因素對于梁端主拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響規(guī)律。建模分析時考慮T梁的自重，以及道砟、軌道、枕木和人行踏板等二期恒載共計48.0 kN/m[10～13]，空間桿系有限元模型見圖7。

圖7 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁空間桿系有限元模型

分析表明，隨著列車軸重的提高，T梁梁端的剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力也隨之提高，見表4。由表4可知，32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的梁端剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定的主梁(C50)的容許剪應(yīng)力(3.13 MPa)和容許主拉應(yīng)力(2.58 MPa)，理論上不會出現(xiàn)開裂，但是抗剪安全儲備較低。

表4 32 m 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁梁端最大剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力

對于同一座橋梁，不同孔跨既有開裂也有完好不開裂的情況，對于同一批澆筑的T梁，可能存在著預(yù)應(yīng)力損失不同的情況，進而導致T梁內(nèi)的永存有效預(yù)應(yīng)力存在一定的差異，所以，以C80列車為例，考慮T梁有效預(yù)應(yīng)力的不同損失程度來考察其梁端剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力的大小，見圖8。

圖8 預(yù)應(yīng)力損失對計算應(yīng)力的影響

由圖8可知，隨著預(yù)應(yīng)力損失的增大，在恒載和列車荷載共同作用下的梁端最大剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力均增大，但即使考慮預(yù)應(yīng)力損失40%，梁端主拉應(yīng)力依然不超過設(shè)計規(guī)范對于混凝土斜截面抗裂性要求的容許應(yīng)力。同時也可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力損失的增大，梁端截面中性軸處的最大剪應(yīng)力有可能會超過混凝土的容許剪應(yīng)力，而梁端斜裂縫從開裂狀態(tài)上為腹剪斜裂縫，所以梁端較大的剪應(yīng)力應(yīng)為產(chǎn)生斜裂縫的主要影響因素。

3 T梁斜截面開裂精細化模型分析

由于空間桿系模型無法模擬T梁截面上的應(yīng)力分布狀態(tài)及混凝土塑性開裂現(xiàn)象，為進一步分析梁端斜裂縫的發(fā)展規(guī)律，采用Abaqus軟件建立32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的分離式三維空間精細化模型，見圖9。在建模過程中，考慮混凝土的材料非線性[14-15]，并采用C3D8R單元進行模擬，拉壓混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖10，其本構(gòu)關(guān)系通過彈塑性損傷模型(Damage Plastic)進行模擬；預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋均采用T3D2桁架單元進行模擬，并嵌入混凝土中；預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)加力通過降溫法進行模擬。T梁梁端邊界條件為豎向簡支，列車荷載考慮為C80(軸重250 kN)。

圖9 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁精細化模型

圖10 拉壓混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在進行模型加載時，考慮軸重從210 kN增大至360 kN，T梁梁端1 m范圍內(nèi)腹板區(qū)域的開裂發(fā)展規(guī)律見圖11。

圖11 隨軸重增加距離梁端1m腹板內(nèi)裂縫開展規(guī)律

由圖11可知，此T梁腹板上方距離翼緣較近的位置容易發(fā)生開裂現(xiàn)象；根據(jù)規(guī)范計算得到本橋的動力系數(shù)為1.2，當單軸小于270 kN或小于1.2倍的C70列車軸重時，開裂程度未見明顯發(fā)展；當單軸達到300 kN或1.2倍的C80列車(250 kN)軸重時，腹板中間部位開始出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；當單軸達到330kN或1.2倍的C80(270 kN)列車軸重時，腹板中間部位裂縫急劇發(fā)展；在單軸達到360 kN或1.2倍KM98列車軸重時達到最大值。所以，本文所分析的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋在運營C80(270 kN)時，就會出現(xiàn)梁端腹板斜裂縫。

T梁的計算裂縫與實測裂縫對比見圖12。由圖12可知，隨著軸重的提高，計算裂縫的長度也逐步增加，梁端腹板斜裂縫的開展位置和趨勢大致與實測裂縫一致，但是由于實際混凝土為離散材料，材料強度和密實度在梁端并不均勻，而計算時混凝土為單一均質(zhì)各項同性材料，導致裂縫的計算長度和實測長度有所差別。

圖12 不同軸重下計算開裂與實測裂縫對比

4 結(jié)論

通過對重載鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁梁端斜裂縫的病害調(diào)查、運營性能試驗、長期監(jiān)測及數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論：

(1)隨著重載列車軸重的提高，實測許多32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁梁端腹板內(nèi)出現(xiàn)了斜裂縫。基于Abaqus精細化模型分析結(jié)果表明試驗研究所選取的32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁距梁端1倍梁高范圍內(nèi)的腹板在恒載、預(yù)應(yīng)力和運營列車荷載作用下極有可能會引起斜向開裂。

(2)梁端斜裂縫對于橋梁的運營性能有一定的影響，試驗結(jié)果表明，實測病害T梁跨中橫向振幅、豎向振幅、橫向加速度及豎向加速度實測值峰值均大于完好T梁，增加率范圍為3.08%～28.57%，表明梁端開裂不同程度降低了T梁的橫向剛度和豎向剛度，且對于橫向剛度的影響更大。

(3)在C80列車常態(tài)化運營后，長期監(jiān)測結(jié)果表明T梁梁端的斜裂縫長度及寬度未見明顯擴展，但是裂縫的出現(xiàn)勢必會影響既有橋梁的耐久性，應(yīng)對梁端斜裂縫采用合理的處治措施進行封閉或加固處理。