既有重載鐵路32 m預應力混凝土T梁斜截面疲勞作用分析

葛凱 李承君 袁磊 許見超 趙體波 榮嶠 馬宏亮

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

重載鐵路是滿足牽引質量8 000 t及以上、軸重為270 kN及以上、在至少150 km線路區(qū)段上年運量大于40 Mt三項指標中兩項的鐵路［1］。重載鐵路具有軸重大、牽引質量大、運量大的特點，且大多采用單元、組合等列車編組形式，一般為貨運專線。

大秦鐵路是我國第一條重載鐵路和雙線電氣化運煤專用線，全長653 km，按國鐵Ⅰ級客貨共線鐵路設計，橋涵設計活載為中—活載。自2005年以來，大秦鐵路年運量和行車密度已連續(xù)位居世界第一，至2018年底總運量已達到60億t［2］。

近年來，對大秦鐵路橋梁結構進行的跟蹤調研結果表明，伴隨長編組、大軸重重載列車的開行和貨運量的大幅提升，既有混凝土橋梁的劣化問題日益突出。針對預應力混凝土梁和中小跨度鋼筋混凝土梁的正截面活載內力儲備及抗疲勞性能問題已開展了較為充分的研究［3-5］。此外，后張法預應力混凝土簡支梁腹板大量出現(xiàn)斜裂縫，與斜截面疲勞抗裂性能不足有關，病害的形成機理和對結構長期性能的影響尚未得到深入研究。據(jù)統(tǒng)計，大秦鐵路橋梁結構形式主要為跨度24、32 m的后張法預應力混凝土T梁，其數(shù)量約占全部橋梁孔數(shù)的65%。病害梁型主要集中在設計圖號為專橋2039/2040、專橋2059A/B的32 m簡支T梁。另據(jù)調查，朔黃、神朔等重載鐵路橋梁的相同梁型也有類似病害出現(xiàn)。

本文以大秦鐵路跨度32 m預應力混凝土T梁（圖號為專橋2040，直線）為研究對象，分析重車線列車移動荷載作用下典型截面的內力變化特征以及運營荷載作用下典型截面的主應力變化特征，為既有重載鐵路混凝土梁斜截面疲勞抗裂機理的深入研究提供理論依據(jù)。

1 計算參數(shù)

大秦鐵路2萬t貨運列車通常采用2輛HXD1機車牽引210節(jié)C80貨車。為簡化計算分析，對列車編組作適當截取，假定列車編組模式為2節(jié)HXD1+6節(jié)C80貨車，荷載圖式見圖1。機車軸重250 kN，重車線貨車軸重250 kN，輕車線軸重50 kN，HXD1機車雙機聯(lián)掛長70.496 m，6節(jié)C80貨車編組長72 m。

圖1 運營列車荷載圖式（單位：cm）

運營恒載效應計入梁體永存預應力、自重和二期恒載作用。依據(jù)現(xiàn)場調研結果，道砟超厚按30 cm計算，梁體恒載按均布荷載計算。依據(jù)文獻［6-7］，自重為32.55 kN/m，原設計二期恒載18.5 kN/m。另外計入運營階段二期恒載增量如下：橫向加固荷載1.848 kN/m、線路改造荷載5.46 kN/m、道砟超厚荷載12.76 kN/m。運營列車移動荷載動力系數(shù)取1.193 5。

依據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》進行分析計算，采用運營列車荷載圖式對梁體支點內側，L/8、L/4、L/2（L為跨度）等典型截面的彎矩影響線和剪力影響線分別進行移動加載，以列車前部第1軸位于梁端支座中心處為起點，以0.1 m為步長依次向前移動，計算彎矩和剪力。再將運營恒載和活載單獨作用產生的正應力和剪應力分別疊加，依據(jù)應力圓理論計算得出運營荷載組合作用下典型截面上倒角、中性軸和下倒角主拉應力和主壓應力。

2 列車移動荷載作用特征

32 m簡支梁重車線列車移動過橋產生的彎矩和剪力見圖2。圖中方框內線條對應C80貨車作用。列車活載作用下不同截面內力最大值見表1。

圖2 重車線列車移動荷載作用下典型截面的內力

表1 列車活載作用下不同截面內力最大值

由表1可見，重車線列車移動活載效應由滿載貨車控制且仍小于中—活載效應；因輕車線貨車軸重僅為重車線軸重的1/5，輕車線列車移動活載效應由機車控制，且約為重車線的2/3。

32 m簡支梁重車線C80貨車作用下典型截面內力見表2、表3，彎矩幅值占比為當前步長級差對應活載彎矩與活載彎矩最大值的比值，剪力幅值占比為當前步長級差對應活載剪力與活載剪力最大值的比值。

表2 32 m簡支梁重車線C80貨車作用下典型截面彎矩

表3 32 m簡支梁重車線C80貨車作用下典型截面剪力

由圖2、表2、表3可知：列車通過距離在67.58 m以前為機車作用，之后為貨車作用；貨車過橋時內力循環(huán)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性變化特征，各截面內力的周期性變化并不同步，即不同截面內力極值對應輪位并不相同；貨車過橋時各截面彎矩周期性變化呈現(xiàn)出大、小兩種幅度循環(huán)，作用周期分別對應通過整列車和單節(jié)貨車（12.0 m），彎矩幅值占比分別為100%和7.6%～19.9%；貨車過橋時各截面剪力周期性變化分別呈現(xiàn)出大、中、小3種幅度的循環(huán)特征，作用周期分別對應通過整列車、單節(jié)貨車和單個輪軸，剪力幅值占比分別為100%、33.6%～57.8%和8.6%～26.0%。

3 運營荷載疲勞作用特征

在自重、永存預應力、二期恒載等運營恒載產生的彎矩、剪力和軸力作用基礎之上，隨著運營列車的上橋移動，梁體腹板斜截面內的主拉應力與主壓應力始終處于變化狀態(tài)，且表現(xiàn)出一定的周期性特征。32 m預應力混凝土T梁重車線設計荷載與運營荷載作用下主應力最大值和最小值見表4?？芍?，設計荷載作用下，L/8、L/4截面主拉應力最大值分別為1.80、1.15 MPa，分別位于中性軸、下倒角，主拉應力最大幅值分別為1.63、1.09 MPa；主壓應力最大值分別為-9.58、-9.71 MPa。運營荷載作用下，主應力大于設計荷載主應力，主應力幅值基本相當。運營荷載作用下，L/8、L/4截面主拉應力最大值分別為2.04、1.43 MPa，分別位于中性軸、下倒角，主拉應力最大幅值分別為1.61、1.27 MPa；主壓應力最大值分別為-8.95、-10.49 MPa?？梢奓/8截面主拉應力狀態(tài)更加不利，L/4截面主壓應力狀態(tài)更加不利。梁體設計采用C48混凝土，抗拉強度設計值fct=3.02 MPa，運營荷載作用下主拉應力最大值為0.675fct=2.04 MPa，已接近規(guī)范限值0.7fct；若考慮橋面二期恒載可能出現(xiàn)的額外超載，主拉應力將超過限值。

表4 重車線設計荷載和運營荷載作用下典型截面的主應力最大值和最小值

3.1 主拉應力變化

32 m預應力混凝土T梁重車線運營荷載作用下典型截面的主拉應力見圖3和表5。圖3方框內的線條對應貨車作用。由表4、表5和圖2、圖3可知，在重車線運營荷載作用下貨車過橋時不同截面主拉應力的周期性變化并不同步，相同截面不同位置主拉應力的周期性變化同步，主拉應力與剪力變化同步，各截面大幅度循環(huán)的主拉應力幅值占比為71.9%～88.8%；各截面中、小幅度循環(huán)的主拉應力幅值占比分別為32.9%～54.1%、9.6%～25.7%。

圖3 重車線運營荷載作用下典型截面的主拉應力

表5 重車線運營荷載作用下典型截面的主拉應力

3.2 主壓應力變化

32 m預應力混凝土T梁重車線運營荷載作用下典型截面的主壓應力見圖4和表6（見次頁）。圖4中方框內線條對應貨車作用。由表4、表6和圖2、圖4可知，在重車線運營荷載作用下，貨車過橋時不同截面主壓應力的周期性變化并不同步，相同截面不同位置主壓應力的周期性變化大體同步，主壓應力與剪力變化大體同步，各截面大幅度循環(huán)的主壓應力幅值占比為12.8%～43.7%；各截面中、小幅度循環(huán)主壓應力幅值占比分別為2.0%～12.4%、0.5%～4.9%。

圖4 重車線運營荷載作用下典型截面的主壓應力

表6 重車線運營荷載作用下典型截面的主壓應力

3.3 循環(huán)作用次數(shù)

以大秦鐵路編組2輛HXD1牽引210節(jié)C80（軸重250 kN）的貨運列車為例，每列滿載列車牽引質量為1.68萬t，年運量4.5億t。經換算，每片梁年通過列車約26 645列，日運量約123萬t，日通過列車約73列。綜上所述，跨度32 m簡支T梁每年經歷的大、中、小幅度主應力循環(huán)次數(shù)大致分別為2.67萬、560萬、2 240萬次；100年服役周期內經歷的大、中、小幅度主應力循環(huán)次數(shù)大致分別為267萬、5.6億、22.4億次。

假定某普通貨運鐵路開行列車軸重為230 kN，列車牽引質量4 000 t（約44節(jié)貨車）、年運量4 000萬t。經換算，每片梁年通過列車約13 140列，日運量約11萬t，日通過列車約36列。以大秦鐵路為代表的重載鐵路簡支梁承受的大、中、小幅度主應力循環(huán)次數(shù)大致分別為普通貨運鐵路梁的2、10、10倍，且前者梁體實際承受的主拉應力水平更高。

4 腹板斜裂縫成因分析

混凝土受拉疲勞累積損傷相關研究成果表明［8-9］，混凝土結構疲勞抗裂性能與混凝土抗拉強度、應力水平、加載歷史以及荷載作用循環(huán)次數(shù)均有關。重載鐵路32 m預應力混凝土T梁運營階段主拉應力最大值已經超過設計值且接近甚至超過規(guī)范限值，運營階段經歷的主應力循環(huán)次數(shù)為普通貨運鐵路同類梁型的數(shù)倍，導致梁體的累積損傷顯著增大?；炷列苯孛嫫诳沽研阅芟鄬Σ蛔憧赡苁羌扔兄剌d鐵路32 m預應力混凝土T梁腹板斜裂縫的主要成因。

5 結論

1）對于大秦鐵路跨度32 m預應力混凝土T梁，梁上每通過整列車、單節(jié)貨車便分別經歷1次大、小幅度彎矩循環(huán)；梁上每通過整列車、單節(jié)貨車、單個輪軸便分別經歷1次大、中、小幅度剪力循環(huán)；正應力循環(huán)作用與彎矩變化同步，主拉應力和主壓應力循環(huán)作用與剪力變化同步。

2）與普通貨運鐵路相比，既有重載鐵路貨運列車的軸重更大、編組更長、貨運量更多，二期恒載遠超設計水平，重車線梁體承受的主拉應力更高，在全壽命周期內經歷的大、中、小幅度主應力循環(huán)次數(shù)分別大致相當于前者的2、10、10倍，重車線計算截面大、中、小幅度主拉應力幅值占比分別為71.9%～88.8%、32.9 %～54.1%、9.6%～25.7%。

3）梁體在運營階段主應力循環(huán)作用下產生的疲勞累積損傷過大、斜截面疲勞抗裂性能相對不足可能是既有重載鐵路32 m預應力混凝土T梁腹板斜裂縫的主要成因。梁體斜截面在運營階段持續(xù)承受變幅值、變方向的雙向拉壓應力循環(huán)作用，梁體疲勞累積損傷的內在機理尚需深入研究。