既有重載鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁運(yùn)營(yíng)性能檢算評(píng)估

李承君 葛凱 袁磊 許見(jiàn)超 趙體波 榮嶠 馬宏亮

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

早在2012年底，我國(guó)鐵路中年運(yùn)量超過(guò)5 000萬(wàn)t的干線客貨共線和貨運(yùn)專線已達(dá)84條［1］。目前既有干線主要開(kāi)行軸重21 t和23 t、牽引質(zhì)量5 000 t級(jí)的列車，大秦鐵路和朔黃鐵路主要開(kāi)行軸重25 t C80、牽引質(zhì)量1萬(wàn)t和2萬(wàn)t的重載列車。大秦貨運(yùn)專線鐵路年運(yùn)量目前已超過(guò)4億t，大包、包蘭客貨共線鐵路年運(yùn)量已超過(guò)2億t。

出于線路改造、病害整治和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的需要，既有重載鐵路的橋面軌枕和鋼軌均已經(jīng)過(guò)強(qiáng)化改造，雙片并置式T梁經(jīng)過(guò)橫向加固，道砟層厚度普遍超限，導(dǎo)致既有重載鐵路橋梁的運(yùn)營(yíng)恒載較原設(shè)計(jì)恒載顯著增大。隨著貨運(yùn)列車軸重、牽引質(zhì)量及運(yùn)量不斷增加，既有重載鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的劣化也日益嚴(yán)重。對(duì)大秦鐵路橋梁的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明，鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁均存在不同程度劣化，以鋼筋混凝土梁耐久性病害、預(yù)應(yīng)力混凝土梁沿管道縱向開(kāi)裂（叁標(biāo)橋2019）及梁端附近腹板斜向開(kāi)裂（專橋2039/2040、專橋2059A/B）最為典型［2］。

文獻(xiàn)［3-5］針對(duì)大軸重列車開(kāi)行條件下既有鐵路常用跨度簡(jiǎn)支梁運(yùn)營(yíng)活載與設(shè)計(jì)活載的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算分析，從梁體活載效應(yīng)（彎矩和剪力）儲(chǔ)備的角度評(píng)估了不同跨度橋梁對(duì)不同類型重載列車的適應(yīng)性。本文同時(shí)考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段的梁體恒載效應(yīng)與活載效應(yīng)，對(duì)既有重載鐵路上應(yīng)用最廣泛且開(kāi)裂病害較為集中的跨度32 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的抗裂性能和強(qiáng)度儲(chǔ)備進(jìn)行檢算，評(píng)估梁體的運(yùn)營(yíng)性能，分析斜截面開(kāi)裂的主要原因。

1 設(shè)計(jì)檢算

1.1 檢算對(duì)象

檢算對(duì)象為跨度32 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁（單片），設(shè)計(jì)圖號(hào)為叁標(biāo)橋2019、專橋2039/2040及專橋2059A/B。每種梁型分別對(duì)直線梁和曲線外梁進(jìn)行檢算。檢算內(nèi)容包括設(shè)計(jì)荷載作用下梁體正截面最大彎矩、最大剪力、抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)以及斜截面最大主應(yīng)力；運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁體正截面最大彎矩、最大剪力、最大正應(yīng)力、最小正應(yīng)力以及斜截面最大主應(yīng)力。檢算截面包括支點(diǎn)內(nèi)側(cè)截面、變截面，以及L/16、L/8、3L/16、L/4、3L/8和L/2截面，L為橋梁跨度。正截面應(yīng)力檢算位置為梁體上緣和下緣，斜截面應(yīng)力檢算位置為腹板上倒角、中性軸和下倒角。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

梁體設(shè)計(jì)檢算依據(jù)文獻(xiàn)［6-8］進(jìn)行，自重和原設(shè)計(jì)二期恒載設(shè)計(jì)參數(shù)按照文獻(xiàn)［9］取值。各個(gè)檢算梁型的32 m簡(jiǎn)支T梁均按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)統(tǒng)一換算為強(qiáng)度等級(jí)，原500號(hào)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量均按照C48混凝土依據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］取值內(nèi)插得到。預(yù)應(yīng)力鋼束的計(jì)算強(qiáng)度取0.9倍極限抗拉強(qiáng)度，孔道直徑5.0 cm，錨口、喇叭口摩阻損失按錨外控制應(yīng)力的7%計(jì)，鋼絲應(yīng)力松弛系數(shù)0.08，錨頭鋼絲回縮及錨頭變形按8 mm/（L/2）計(jì)。預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算依據(jù)TB 10092—2017附錄D的規(guī)定考慮反向摩阻的影響。32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁設(shè)計(jì)參數(shù)

梁體自重均轉(zhuǎn)換為均布荷載進(jìn)行計(jì)算。叁標(biāo)橋2019、專橋2039/2040、專橋2059A/B三種梁型的自重恒載集度分別為33.01、32.55、33.2 kN/m，原設(shè)計(jì)直線梁、曲線外梁二期恒載集度分別為18.5、26.3 kN/m。

設(shè)計(jì)活載為中—活載?；钶d效應(yīng)計(jì)入動(dòng)力系數(shù)1+μ=1.1935，曲線梁檢算按《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)混凝土橋》［12］中計(jì)算方法計(jì)入偏載系數(shù)。假定線路超高不超過(guò)150 mm，曲線半徑600 m，橋上軌道線路按平分中矢法布置。

1.3 運(yùn)營(yíng)活載及荷載組合

1.3.1 運(yùn)營(yíng)活載

運(yùn)營(yíng)活載按照HXD1機(jī)車牽引C80貨車考慮，列車編組為2×HXD1+6×C80（滿載）。其中牽引機(jī)車HXD1的軸重250 kN，C80貨車的軸重250 kN（滿載）。HXD1機(jī)車與C80貨車的荷載圖式見(jiàn)圖1。

圖1 運(yùn)營(yíng)列車荷載圖式（單位：cm）

1.3.2 荷載組合

1）運(yùn)營(yíng)恒載

將梁體自重、原設(shè)計(jì)二期恒載、橫向加固二期恒載增量、線路改造二期恒載增量和道砟超厚二期恒載增量均轉(zhuǎn)換為均布荷載進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明，大秦鐵路橋面道砟層厚度普遍達(dá)45～65 cm［2］，遠(yuǎn)超規(guī)范限值35 cm［8］。叁標(biāo)橋2019、專橋2039/2040、專橋2059A/B三種梁型的橫向加固二期恒載增量分別為1.863、1.848、3.629 kN/m；線路改造二期恒載增量均為5.46 kN/m；道砟層較原設(shè)計(jì)超厚分別按照10、20、30 cm計(jì)算，二期恒載增量分別為3.89、8.14、12.76 kN/m。

設(shè)計(jì)恒載（Design Dead Load）記為DDL，運(yùn)營(yíng)恒載（Operation Dead Load）記為ODL。

運(yùn)營(yíng)恒載分為5種：

ODL?1=DDL=自重+原設(shè)計(jì)二期恒載+永存預(yù)應(yīng)力；

ODL?2=ODL?1+橫向加固二期恒載增量+線路改造二期恒載增量；

ODL?3=ODL?2+道砟超厚10 cm二期恒載增量；

ODL?4=ODL?2+道砟超厚20 cm二期恒載增量；

ODL?5=ODL?2+道砟超厚30 cm二期恒載增量。

2）運(yùn)營(yíng)荷載

設(shè) 計(jì) 荷 載（Design Load）記 為DL，運(yùn) 營(yíng) 荷 載（Operation Load）記為OL。將設(shè)計(jì)活載與設(shè)計(jì)恒載相加得到設(shè)計(jì)荷載DL；將重車線運(yùn)營(yíng)活載分別與運(yùn)營(yíng)恒載ODL?1、ODL?2、ODL?3、ODL?4、ODL?5相加，得到相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)荷載OL?1、OL?2、OL?3、OL?4、OL?5。

2 檢算結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計(jì)荷載、運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁體截面內(nèi)力檢算

以專橋2059B型直線梁和專橋2059A型曲線外梁為例，設(shè)計(jì)荷載、運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁體跨中截面最大彎矩和支點(diǎn)內(nèi)側(cè)截面最大剪力檢算結(jié)果見(jiàn)表2?？芍撼齇L?1外，其余運(yùn)營(yíng)荷載作用下跨中截面最大彎矩均已超過(guò)設(shè)計(jì)荷載作用下最大彎矩；除OL?1、OL?2外，其余運(yùn)營(yíng)荷載作用下支點(diǎn)內(nèi)側(cè)截面最大剪力均已超過(guò)設(shè)計(jì)荷載作用下最大剪力。

表2 設(shè)計(jì)荷載、運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁體截面內(nèi)力檢算結(jié)果

2.2 設(shè)計(jì)荷載作用下截面受力檢算

2.2.1 正截面受力性能

按照文獻(xiàn)［6-8］檢算設(shè)計(jì)荷載作用下跨中截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)KM和抗裂安全系數(shù)Kf，檢算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)荷載作用下跨中截面K M和K f檢算結(jié)果

由表3可知：設(shè)計(jì)荷載作用下叁標(biāo)橋2019直線梁跨中截面KM和Kf均不滿足規(guī)范要求，專橋2039/2040梁和叁標(biāo)橋2019曲線外梁Kf不滿足規(guī)范要求，專橋2059A/B梁KM和Kf均滿足規(guī)范要求。

設(shè)計(jì)荷載作用下跨中截面上緣最大正應(yīng)力和下緣最小正應(yīng)力檢算結(jié)果見(jiàn)表4?？芍涸O(shè)計(jì)荷載作用下叁標(biāo)橋2019梁和專橋2039/2040梁跨中截面下緣已出現(xiàn)拉應(yīng)力，專橋2059A/B梁跨中截面下緣仍處于受壓狀態(tài)，各梁型跨中截面上緣最大壓應(yīng)力均小于0.5fc=0.5×32.1=16.05 MPa（fc為混凝土軸心抗壓極限強(qiáng)度規(guī)范值），滿足規(guī)范要求。

表4 設(shè)計(jì)荷載作用下跨中截面上緣最大正應(yīng)力和下緣最小正應(yīng)力檢算結(jié)果 MPa

2.2.2 斜截面受力性能

設(shè)計(jì)荷載作用下斜截面最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力檢算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 設(shè)計(jì)荷載作用下斜截面最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力檢算結(jié)果 MPa

由表5可知：設(shè)計(jì)荷載作用下各梁型斜截面最大主拉應(yīng)力均小于規(guī)范限值fct=3.02 MPa（fct為混凝土軸心抗拉極限強(qiáng)度規(guī)范值），最大主壓應(yīng)力均小于規(guī)范限值0.6fc=0.6×32.1=19.26 MPa。

2.3 運(yùn)營(yíng)荷載作用下截面受力檢算

2.3.1 正截面受力性能

運(yùn)營(yíng)荷載作用下跨中截面上緣最大正應(yīng)力和下緣最小正應(yīng)力檢算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 運(yùn)營(yíng)荷載作用下跨中截面上緣最大正應(yīng)力和下緣最小正應(yīng)力檢算結(jié)果 MPa

由表6可知：叁標(biāo)橋2019梁在OL?5作用下跨中截面上緣最大壓應(yīng)力超過(guò)規(guī)范限值0.5fc=0.5×32.1=16.05 MPa，在OL?2作用下跨中截面下緣已出現(xiàn)拉應(yīng)力，且在OL?5作用下拉應(yīng)力已超過(guò)fct=3.02 MPa；專橋2039/2040梁在OL?4作用下跨中截面上緣最大壓應(yīng)力超過(guò)規(guī)范限值，在OL?2作用下跨中截面下緣已出現(xiàn)拉應(yīng)力；專橋2059A/B梁在OL?4作用下跨中截面上緣最大壓應(yīng)力超過(guò)規(guī)范限值，在OL?3作用下跨中截面下緣已出現(xiàn)拉應(yīng)力。

2.3.2 斜截面受力性能

運(yùn)營(yíng)荷載作用下斜截面最大主拉應(yīng)力檢算結(jié)果見(jiàn)表7。叁標(biāo)橋2019梁斜截面最大主拉應(yīng)力位于變截面中性軸處，專橋2039/2040梁、專橋2059A/B梁斜截面最大主拉應(yīng)力均位于L/8截面中性軸處。

表7 運(yùn)營(yíng)荷載作用下斜截面最大主拉應(yīng)力檢算結(jié)果 MPa

由表7可知：在OL?5作用下，叁標(biāo)橋2019梁斜截面最大主拉應(yīng)力為-1.28 MPa，未超過(guò)規(guī)范限值0.7fct＝0.7×3.02＝2.11 MPa；專橋2039/2040梁斜截面最大主拉應(yīng)力為-2.25 MPa，超過(guò)規(guī)范限值2.11 MPa；專橋2059A/B梁斜截面最大主拉應(yīng)力為-1.90 MPa，未超過(guò)規(guī)范限值2.11 MPa。

運(yùn)營(yíng)荷載作用下各梁型斜截面最大主壓應(yīng)力的檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，不再列舉。

運(yùn)營(yíng)荷載作用下專橋2039/2040梁斜截面主拉應(yīng)力最大、專橋2059A/B梁其次、叁標(biāo)橋2019梁最小，專橋2039/2040梁腹板厚度最薄（150～200 mm）、專橋2059A/B梁其次（160～210 mm）、叁標(biāo)橋2019梁最厚（240 mm），可知主拉應(yīng)力水平與腹板厚度密切相關(guān)。主拉應(yīng)力檢算值低于規(guī)范限值的專橋2059A/B梁同樣存在斜截面開(kāi)裂現(xiàn)象，重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁主拉應(yīng)力規(guī)范限值的合理性值得深入研究。腹板過(guò)薄、主拉應(yīng)力過(guò)大是重載鐵路運(yùn)營(yíng)階段預(yù)應(yīng)力混凝土T梁斜截面開(kāi)裂的主要原因。

3 結(jié)論

1）既有重載鐵路跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁的運(yùn)營(yíng)恒載較原設(shè)計(jì)恒載顯著增大，運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁體截面內(nèi)力已超過(guò)設(shè)計(jì)荷載作用下內(nèi)力。

2）設(shè)計(jì)荷載作用下叁標(biāo)橋2019梁跨中截面的抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。專橋2039/2040梁跨中截面的抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，抗裂安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。專橋2059A/B梁跨中截面的兩項(xiàng)安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3）設(shè)計(jì)荷載作用下叁標(biāo)橋2019梁和專橋2039/2040梁跨中截面下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，專橋2059A/B梁跨中截面下緣處于受壓狀態(tài)。各梁型跨中截面上緣壓應(yīng)力、斜截面主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4）運(yùn)營(yíng)荷載作用下叁標(biāo)橋2019梁、專橋2039/2040梁和2059A/B梁跨中截面上緣最大壓應(yīng)力均超過(guò)規(guī)范限值，且跨中截面下緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力。叁標(biāo)橋2019梁、專橋2059A/B梁斜截面最大主拉應(yīng)力均未超過(guò)規(guī)范限值；專橋2039/2040梁斜截面最大主拉應(yīng)力超過(guò)規(guī)范限值。各梁型斜截面最大主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5）既有鐵路32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁均按照正截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力的全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁體正截面抗裂性能已退化為下緣受拉的部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件水平。若考慮橋面恒載額外超重、重載列車長(zhǎng)期疲勞作用以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境腐蝕作用，梁體有可能逐漸退化為正截面帶裂縫工作的部分預(yù)應(yīng)力B類構(gòu)件。需要持續(xù)關(guān)注既有重載鐵路混凝土梁服役狀態(tài)，進(jìn)一步研究加固改造的必要性與可行性。

6）運(yùn)營(yíng)荷載作用下重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁主拉應(yīng)力水平與腹板厚度密切相關(guān)。主拉應(yīng)力規(guī)范限值的合理性值得深入研究。腹板過(guò)薄、主拉應(yīng)力過(guò)大是運(yùn)營(yíng)階段梁體斜截面開(kāi)裂的主要原因。