大軸重條件下既有鐵路橋梁適應(yīng)性分析及對(duì)策研究

陳樹禮,許宏偉,劉永前

(1.石家莊鐵道大學(xué)安全工程與應(yīng)急管理學(xué)院,石家莊 050043； 2.大型基礎(chǔ)設(shè)施性能與安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,石家莊 050043； 3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043)

因其具有環(huán)保、節(jié)能、高效的巨大優(yōu)勢(shì)，“貨運(yùn)重載”已經(jīng)成為繼“客運(yùn)高速”以后未來我國貨運(yùn)鐵路的重要發(fā)展方向，而對(duì)既有鐵路進(jìn)行大軸重?cái)U(kuò)能改造則是提高運(yùn)輸能力和效率的主要方式。對(duì)于鐵路橋梁而言，列車軸重的提高相應(yīng)增大了作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載和沖擊，采用較早設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)的橋梁大多呈現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性，具體表現(xiàn)在承載能力不足、振動(dòng)過大、開裂嚴(yán)重、劣化加快和疲勞壽命降低等方面。大軸重運(yùn)輸對(duì)既有鐵路橋梁安全運(yùn)營造成不利影響[1-2]。

為準(zhǔn)確掌握大軸重運(yùn)輸對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)橋試驗(yàn)等手段，開展了深入的適應(yīng)性分析研究。秦寶來、左家強(qiáng)等[3-5]基于模擬分析和實(shí)際工程應(yīng)用，探究了大秦鐵路常見類型橋梁結(jié)構(gòu)在重載運(yùn)輸條件下的受力特性；李運(yùn)生、崔鑫等[6-11]以既有鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁為對(duì)象，基于數(shù)值模擬和理論分析，深入研究了大軸重運(yùn)輸對(duì)不同類型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的受力影響規(guī)律，也提出了一些可行的加固改造建議；高國良、龍衛(wèi)國等[12-17]在詳細(xì)統(tǒng)計(jì)橋梁現(xiàn)狀和重載運(yùn)輸條件基礎(chǔ)上，采用理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的手段，重點(diǎn)分析了中小跨度橋梁在25,27 t和30 t軸重列車作用下的適應(yīng)性，認(rèn)為重載運(yùn)輸對(duì)小跨梁影響較大，其靜動(dòng)力性能、耐久性等均有所下降；胡所亭、谷牧等[18-20]基于模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)開展了既有鐵路橋涵結(jié)構(gòu)在大軸重運(yùn)輸條件下的適應(yīng)性研究，提出包括基于預(yù)應(yīng)力碳纖維布、體外預(yù)應(yīng)力、波紋板加固等在內(nèi)的多種加固改造方法，并在既有鐵路上進(jìn)行了典型工程應(yīng)用。

已有研究表明，開行大軸重列車不可避免地降低既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，但既有研究多以某種類型典型橋梁為研究對(duì)象，研究?jī)?nèi)容也較為單一，針對(duì)大軸重條件下常見跨度橋梁的適應(yīng)性研究還不全面，也缺乏系統(tǒng)的加固改造整治對(duì)策總結(jié)分析。我國既有鐵路橋梁建設(shè)年代跨度大、設(shè)計(jì)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，服役狀態(tài)差異也較大，橋梁受力復(fù)雜，對(duì)橋梁進(jìn)行強(qiáng)化改造是既有鐵路重載化面臨的重要技術(shù)難題。在前述研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)我國鐵路設(shè)計(jì)荷載演變歷程和重載運(yùn)輸發(fā)展歷程的系統(tǒng)總結(jié)，結(jié)合不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性分析和相關(guān)改造加固工程實(shí)例，系統(tǒng)開展大軸重運(yùn)輸條件下既有鐵路橋梁適應(yīng)性分析和對(duì)策研究，研究成果可為既有鐵路重載化擴(kuò)能改造提供技術(shù)參考。

1 我國鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及重載運(yùn)輸發(fā)展歷程

1.1 鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

列車荷載圖式代表了鐵路移動(dòng)裝備對(duì)工程結(jié)構(gòu)的作用特征和作用量值，是一組按照不同軸距和軸重組合，依據(jù)不同規(guī)律排列并具有可變速度的力學(xué)模型。自新中國成立到目前為止，我國鐵路橋梁荷載圖式一共經(jīng)過了7次較大修改，分別為1951年、1959年、1975年、1985年、2000年、2005年和2016年。

1951年6月，我國頒布實(shí)施了中-Z活載標(biāo)準(zhǔn)，按照鐵路等級(jí)不同區(qū)別對(duì)待，分為中-18級(jí)、中-22級(jí)和中-26級(jí)，一般按照中-22級(jí)設(shè)計(jì)。1958年頒布實(shí)施的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，對(duì)于≤40 m跨度橋梁，設(shè)計(jì)時(shí)采用中-22級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。中-Z活載采用后，車輛平均載質(zhì)量得到較大提高，伴隨而來的是載重50 t和60 t的敞車得到快速發(fā)展。1975年，我國在修改鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)，將中-Z活載標(biāo)準(zhǔn)修訂為中-活載，1985年修訂規(guī)范時(shí)仍然采用中-活載荷載圖式，其主要特點(diǎn)是考慮了機(jī)車質(zhì)量的增加和均布荷載以及特殊荷載的增加，但中-活載標(biāo)準(zhǔn)同樣是在蒸汽機(jī)車牽引和早期的運(yùn)輸組織背景下制定完成，其原型是“蒸汽機(jī)車+煤水車+貨車車輛”。

2000年以來，根據(jù)高速鐵路和城際鐵路的發(fā)展需求，我國研究制定了高速鐵路和城際鐵路列車荷載圖式。2005年，鐵道科學(xué)研究院研究提出了適用于客貨共線(ZKH)和貨運(yùn)鐵路(ZH)橋梁的中-活載(2005)圖式，兩種圖式荷載標(biāo)準(zhǔn)較中-活載都有適當(dāng)提高。2016年國家鐵路局發(fā)布的《鐵路列車荷載圖式》[21]則規(guī)定了高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路的專業(yè)列車荷載圖式，考慮了我國“客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載”的技術(shù)特點(diǎn)，適應(yīng)不同的運(yùn)輸特征，預(yù)留了合理的儲(chǔ)備系數(shù)，而特種活載設(shè)計(jì)也較好地解決了小跨度橋梁的受力和疲勞問題。幾種典型荷載圖式見圖1。

圖1 我國鐵路設(shè)計(jì)荷載圖式

根據(jù)既有研究資料，目前我國采用中-Z活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)約占總數(shù)的28.7%，其余基本采用中-活載圖式，且劣化達(dá)到A級(jí)的橋梁占比也達(dá)到30%，橋梁結(jié)構(gòu)劣化程度較高[22]。

1.2 機(jī)車車輛發(fā)展

隨著重載運(yùn)輸快速發(fā)展，對(duì)機(jī)車車輛在牽引力、節(jié)能和環(huán)保等方面提出了更高要求，機(jī)車發(fā)展突飛猛進(jìn)，內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車是目前鐵路貨物運(yùn)輸?shù)暮诵能囆汀?/p>

20世紀(jì)80年代以來，DF8、DF8B內(nèi)燃機(jī)車和SS4B、SS4B、SS7等電力機(jī)車先后研制成功，軸重達(dá)到25 t，牽引質(zhì)量達(dá)到5 000 t。2003年以來，我國在大功率內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車技術(shù)方面不斷取得突破，軸重25 t及以上的HXD1、HXD2、HXD3、神24型等電力機(jī)車以及HXN3、HXN5型內(nèi)燃機(jī)車和HXN6型等混合動(dòng)力機(jī)車都得到了成功應(yīng)用，最大軸重達(dá)到30t，運(yùn)行速度達(dá)到120 km/h，牽引力也達(dá)到了2 280 kN，并且在安全、環(huán)保性能和智能等領(lǐng)域得到了全面改進(jìn)提升。

配合大軸重機(jī)車的迅速發(fā)展，鐵路貨車經(jīng)歷了3次較大的技術(shù)升級(jí)換代。建國初期，貨車軸重完成了載重30 t級(jí)向50 t級(jí)的第一次升級(jí)換代。隨著中-活載標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和大軸重電力機(jī)車的逐漸應(yīng)用，C62、C64型貨車的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了載重60 t級(jí)的第二次升級(jí)換代。2003年以后，以C70為代表的載重70 t級(jí)通用貨車和以C80為代表的載重80 t級(jí)運(yùn)煤專用敞車的研制和生產(chǎn)，標(biāo)志著鐵路貨車實(shí)現(xiàn)了向70～80 t級(jí)第三次升級(jí)換代。近年來，以C96、KM98為代表的載重100 t級(jí)運(yùn)煤專用敞車的研制成功，標(biāo)志著鐵路貨車第四次升級(jí)換代的開始。

截止2019年末，我國鐵路貨車擁有量達(dá)到了85.7萬輛[23]，分別為21 t級(jí)、23 t級(jí)、25 t級(jí)和30 t級(jí)，包括敞車、棚車、罐車、漏斗車等多種類型，常見運(yùn)煤敞車基本參數(shù)見表1。

表1 常見貨車參數(shù)

軸重25 t級(jí)和30 t級(jí)大軸重貨車的投入使用，可以使單車載質(zhì)量比既有C64貨車提高33%～70%，進(jìn)而大幅度提高運(yùn)能。但軸重的提高相應(yīng)加大了作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載和沖擊，其承載能力和耐久性能需進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

2 荷載效應(yīng)及活載儲(chǔ)備量分析

荷載效應(yīng)是指在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用中，由荷載作用引起的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力(如軸力，剪力，彎矩等)變形和裂縫等的總稱，荷載效應(yīng)和抵抗能力是一種相互關(guān)系。大軸重列車開行，作用到結(jié)構(gòu)上的荷載效應(yīng)發(fā)生變化，尤其是采用中-Z荷載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁，變化更大。常見貨車與不同設(shè)計(jì)活載作用下的橋梁靜效應(yīng)比值見圖2。

圖2 常見貨車與設(shè)計(jì)活載靜效應(yīng)比值

活載儲(chǔ)備量=[1-Max(運(yùn)營活載效應(yīng)/設(shè)計(jì)活載效應(yīng))]×100%，其中，正值表示橋梁有一定的安全儲(chǔ)備，負(fù)值表示運(yùn)營荷載超過設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備，零值表示運(yùn)營荷載和設(shè)計(jì)荷載二者相符。不同軸重列車作用下的橋梁結(jié)構(gòu)活載儲(chǔ)備量分析見圖3。

圖3 橋梁活載儲(chǔ)備量分析

從圖2、圖3中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于5 m以下跨度橋梁，結(jié)構(gòu)受力主要受軸重和軸距控制，大軸重條件對(duì)其影響最為顯著。在21，23，25，30 t軸重貨車作用下，對(duì)于按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.87～1.24之間，而活載儲(chǔ)備量則介于-23.97%～13.22%，跨度越小荷載效應(yīng)比值越大且活載儲(chǔ)備量越低；對(duì)于按照ZH活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.63～0.89之間，而活載儲(chǔ)備量則介于10.71%～37.5%，同樣也表現(xiàn)為橋梁跨度越小荷載效應(yīng)比值越大，而活載儲(chǔ)備量越低。荷載效應(yīng)增大和活載儲(chǔ)備量降低，說明按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的5 m以下小跨度橋梁的安全儲(chǔ)備嚴(yán)重不足，大軸重條件下呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不適應(yīng)性。

對(duì)于跨度5～18 m橋梁，結(jié)構(gòu)受力主要受軸重、軸距和鄰軸距控制，大軸重運(yùn)輸條件對(duì)其影響非常明顯。在21，23，25，30 t軸重貨車作用下，對(duì)于按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.73～1.22之間，而活載儲(chǔ)備量則介于-21.67%～28.37%，跨度越小荷載效應(yīng)比值越大且活載儲(chǔ)備量越低；對(duì)于按照ZH活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.46～0.79之間，而活載儲(chǔ)備量則介于23.40%～58.25%，同樣也表現(xiàn)為跨度越小荷載效應(yīng)比值越大而活載儲(chǔ)備量越低；按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)跨度5～18 m橋梁的安全儲(chǔ)備也存在一定程度不足。

對(duì)于跨度18 m及以上橋梁，結(jié)構(gòu)受力主要受均布荷載控制，大軸重運(yùn)輸產(chǎn)生的影響相對(duì)小一些。在21，23，25，30t軸重貨車作用下，對(duì)于按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.69～1.13之間，而活載儲(chǔ)備量則介于-13.90%～35.19%，跨度在50m及以下時(shí)，荷載效應(yīng)和活載儲(chǔ)備量均有一定程度的富余，而當(dāng)跨度超過50m時(shí)，荷載效應(yīng)逐漸增大而活載儲(chǔ)備量不斷降低。對(duì)于按照ZH活載設(shè)計(jì)的橋梁，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.52～0.83，活載儲(chǔ)備量則介于17.36%～44.48%，跨度越大荷載效應(yīng)愈大而活載儲(chǔ)備量則有下降趨勢(shì)；按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的中等以上跨度橋梁的安全儲(chǔ)備也存在一定程度不足。

因此，我國既有鐵路按照中-Z荷載以及中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，在25 t及以上荷載作用下，其活載儲(chǔ)備量均有所降低，尤其是小跨度橋梁結(jié)構(gòu)，其活載儲(chǔ)備量幾乎沒有或者已為負(fù)值，已經(jīng)用光了安全儲(chǔ)備。根據(jù)既有研究資料，當(dāng)活載儲(chǔ)備量小于0.10時(shí)，長(zhǎng)期持續(xù)的大軸重荷載作用下橋梁安全性和耐久性降低迅速，容易出現(xiàn)開裂、振動(dòng)加劇、撓度偏大等系列病害，荷載作用下疲勞損傷增長(zhǎng)迅速，承載能力不足問題日益凸顯[16]。

3 橋梁結(jié)構(gòu)面臨的主要問題及強(qiáng)化對(duì)策

大軸重運(yùn)輸對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在豎向、橫向和縱向3個(gè)方面。機(jī)車車輛軸重提高必然會(huì)引起豎向荷載增大，影響結(jié)構(gòu)承載能力和疲勞性能，尤其對(duì)小跨度橋梁影響最大。同時(shí)，豎向荷載增加導(dǎo)致橫向搖擺力和離心力增大，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁振動(dòng)和疲勞損傷加劇以及耐久性降低，危及安全。此外，列車豎向荷載的增加和列車同步操縱的提高都引起作用在橋梁上的縱向力有增大趨勢(shì)，大軸重運(yùn)輸條件下橋梁支座和下部結(jié)構(gòu)都承受了更大的荷載作用，結(jié)構(gòu)病害日益突出。

鑒于大軸重運(yùn)輸引起的一系列問題，需分門別類進(jìn)行歸納分析，進(jìn)而針對(duì)性地采取相應(yīng)措施進(jìn)行強(qiáng)化改造。

3.1 小跨度橋梁

我國鐵路橋梁多為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通常情況下認(rèn)為16 m及以下跨度梁為小跨度梁，20 m及以上橋梁為中等以上跨度梁。小跨度橋梁一般多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其典型特點(diǎn)是跨度小、截面高度低，而病害則突出表現(xiàn)在開裂嚴(yán)重、剛度退化明顯、振動(dòng)響應(yīng)偏大和劣化程度高等方面。小跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)一般按照軸重加載控制，對(duì)軸重的提高最為敏感，軸重是影響小跨度橋梁受力的關(guān)鍵控制指標(biāo)。對(duì)于此類型結(jié)構(gòu)，其安全儲(chǔ)備很小或已用盡，強(qiáng)化改造的核心是提高梁體的抗裂性能和整體剛度，將既有普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更換為其他類型的整體結(jié)構(gòu)是一種最直接和效果最好的方法。

2018年6月，某重載鐵路8 m跨度鋼筋混凝土T梁進(jìn)行了更換施工，將并置式鋼筋混凝土T梁更換為整體式鋼混組合梁，見圖4。

圖4 某重載鐵路8 m橋梁更新改造

換梁施工采用高架臺(tái)車方案，在原位進(jìn)行新舊梁置換，單孔施工歷時(shí)4 h。更換前后橋梁動(dòng)力性能試驗(yàn)表明，更換前后梁體跨中橫向振幅、豎向振幅、橫向加速度、撓跨比、動(dòng)力系數(shù)和自振頻率分別為0.40 mm和0.10 mm，0.42 mm和0.25 mm，0.53 m/s2和0.37 m/s2，1/4 839和1/5 538，1.20和1.05，13.75 Hz和12.77 Hz。更換為組合梁以后，橋跨振動(dòng)顯著降低，梁體跨中撓度較更換前也有所減小，整體穩(wěn)定性得到明顯提升。

2019年12月—2021年7月，對(duì)某重載鐵路十余座12 m跨度板梁進(jìn)行了更換施工，將并置式鋼筋混凝土板梁更換為整體式預(yù)應(yīng)力板梁，見圖5。在橋梁更換前后進(jìn)行靜動(dòng)力性能試驗(yàn)，橋梁更換前后典型參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分別見圖6、圖7。

圖5 某重載鐵路12 m橋梁更新改造

圖6 并置梁和整體梁荷載-位移關(guān)系曲線對(duì)比

圖7 并置梁和整體梁跨中橫向振幅對(duì)比

將并置梁更換為整體梁后，梁體撓度、振動(dòng)等各項(xiàng)控制指標(biāo)均得到了明顯改善，相同荷載作用下，整體梁撓度約為并置梁的1/3，梁體豎向剛度和承載能力得到顯著提高。更換前后梁體實(shí)測(cè)橫向自振頻率分別為9.0 Hz和21.08 Hz，更換后自振頻率提高134%，且一階振型也表現(xiàn)為豎向彎曲，與并置梁一階橫彎表現(xiàn)有所差異，整體梁橫向剛度也得到了大幅提升。

3.2 中等以上跨度橋梁

中等以上跨度橋梁多為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，跨度32 m以上梁多采用鋼桁梁或鋼板梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)橋梁而言，設(shè)計(jì)活載作用下梁底面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)也不允許出現(xiàn)開裂。根據(jù)既有研究結(jié)果，大軸重列車開行引起梁體抗裂安全系數(shù)進(jìn)一步降低，不能滿足長(zhǎng)期安全運(yùn)營要求，對(duì)其改造的原則就要基于提高抗裂性能和抗彎承載能力目的出發(fā)。

體外預(yù)應(yīng)力、輔助鋼梁、增大截面等均為梁體加固常用且有效的方法。其中，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁體在重載鐵路中得到了較多應(yīng)用，具有更輕的加固質(zhì)量、更強(qiáng)的材料耐久性和更好的加固效果[16]。預(yù)應(yīng)力碳纖維加固梁體對(duì)比見圖8。

圖8 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固

跨度64 m下承式鋼桁梁是既有鐵路中的又一重要類型，多按照通用設(shè)計(jì)圖制造。大軸重運(yùn)輸條件下，橋面系縱橫梁及其連接構(gòu)件、受拉桿件和連接構(gòu)件的受力更為復(fù)雜，安全儲(chǔ)備降低且易發(fā)生疲勞損傷，對(duì)其加固改造的原則是對(duì)薄弱桿件和連接進(jìn)行加強(qiáng)、增大有效截面并降低應(yīng)力幅，減小疲勞損傷。

基于上述原則，基于詳細(xì)的大軸重適應(yīng)性分析計(jì)算，某重載鐵路64 m鋼桁梁進(jìn)行了加固改造施工，主要對(duì)關(guān)鍵受力桿件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，針對(duì)12根薄弱桿件、36塊魚形板和32根縱梁進(jìn)行了強(qiáng)化改造加固，采用拼接鋼板或角鋼的方法來增大截面，并將原有連接板更換為尺寸更大鋼板，現(xiàn)場(chǎng)加固施工見圖9。

圖9 鋼桁梁加固

參考文獻(xiàn)[24]的檢測(cè)數(shù)據(jù)，加固后縱梁下緣應(yīng)力減小35%，加固構(gòu)件應(yīng)力達(dá)到34 MPa，加固構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)共同受力，有效降低了原結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值，達(dá)到了預(yù)期加固效果。

3.3 支座

既有鐵路支座主要有板式橡膠支座、盆式橡膠支座和鋼支座3種類型。板式橡膠支座多用于小跨度橋梁，存在剛度小、病害多和耐久性差等不足；盆式橡膠支座則容易發(fā)生老化、擠出和偏壓等病害，而銹蝕、轉(zhuǎn)角超限等則是鋼支座容易發(fā)生的病害類型。鑒于支座結(jié)構(gòu)的重要性和易損性，對(duì)橋梁支座的改造原則是將既有病害支座更換為尺寸更大或性能更優(yōu)的相同類型或升級(jí)類型支座。

既有板式橡膠支座的處理措施主要有2種：一是更換為結(jié)構(gòu)構(gòu)造和性能更為合理的新型板式橡膠支座，通過提高彈性模量和減小變形來適應(yīng)重要運(yùn)輸；二是將板式橡膠支座更換為傳力更為明確、耐久性更強(qiáng)、可靠性更好的球型支座。對(duì)于盆式橡膠支座而言，多采用更換為球型支座的方法來處理。對(duì)于大跨度橋梁中常用的搖軸支座和輥軸支座等類型鋼支座，多采用更換為圓柱面鋼支座或鉸軸滑板支座的方式進(jìn)行強(qiáng)化改造。既有鐵路中典型支座更換見圖10。

圖10 板式支座更換

對(duì)某重載鐵路50余座將舊板式橡膠支座更換為新型板式支座或球型支座、將舊鋼支座更換為球型支座的橋梁進(jìn)行了更換前后的性能對(duì)比試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，球型支座代替板式支座后，支座剛度增加引起的列車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)略有增大，但支座位移則顯著降低，最大降幅近100%；新型板式支座代替舊板式支座和球型支座代替舊鋼支座后，橋梁動(dòng)力響應(yīng)與更換前變化不大，部分參數(shù)有減小趨勢(shì)，但支座位移響應(yīng)得到了明顯改善。可以認(rèn)為，更換后的支座變形更小、耐久性更強(qiáng)，具有更好的重載適應(yīng)性。

3.4 墩臺(tái)基礎(chǔ)

大軸重運(yùn)輸條件下，既有鐵路不同類型墩臺(tái)基礎(chǔ)面臨的問題各不相同，但基本都集中在剛度不足、穩(wěn)定性差、承載能力不足等方面，加固改造的基本原則就是提高承載能力和穩(wěn)定性，增加橫向和縱向剛度，以達(dá)到適應(yīng)重載運(yùn)輸?shù)哪康?。常見墩臺(tái)基礎(chǔ)面臨問題及其處理對(duì)策見表2。

某重載鐵路對(duì)全線不同類型橋墩進(jìn)行了增大截面和增大基礎(chǔ)加固，主要采用外包混凝土或鋼板、雙柱連接、增補(bǔ)樁基、增大基礎(chǔ)等多種加固方式，典型墩臺(tái)基礎(chǔ)加固實(shí)例見圖11。

表2 常見墩臺(tái)基礎(chǔ)問題及其處理對(duì)策

圖11 典型墩臺(tái)基礎(chǔ)加固

某鐵路對(duì)十余座橋墩加固進(jìn)行了典型橋墩現(xiàn)場(chǎng)加固施工監(jiān)控和加固前后的性能對(duì)比試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，常用的增大截面、增補(bǔ)樁基和加大尺寸等加固方式方法均能較顯著地提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性和墩身剛度，加固后橋墩橫向剛度和基礎(chǔ)穩(wěn)定性都得到大幅提高，橋墩橫向振動(dòng)顯著降低，自振頻率大幅增大且最大增幅已達(dá)到300%及以上，橋墩振動(dòng)的降低也直接使得橋跨結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)有所改善，具有更好的重載運(yùn)輸適應(yīng)性。

4 結(jié)論

(1)大軸重運(yùn)輸條件下，隨軸重增加橋梁結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)逐漸增大且活載儲(chǔ)備量逐漸降低。在25 t及以上軸重荷載作用下，按中-Z和中-活載設(shè)計(jì)的小跨度梁活載儲(chǔ)備量最低達(dá)到-23.97%，中等及以上跨度橋梁活載儲(chǔ)備量最低達(dá)到-13.90%，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備存在一定程度的不足。從保證結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全的角度出發(fā)，需按照ZH活載圖式進(jìn)行強(qiáng)化改造，以適應(yīng)大軸重運(yùn)輸需求。

(2)大軸重運(yùn)輸條件下，既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)面臨眾多問題，主要體現(xiàn)在小跨度橋梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備嚴(yán)重不足、中等以上跨度橋梁的抗裂和抗彎性能偏低、支座性能差且病害嚴(yán)重，下部結(jié)構(gòu)剛度偏弱和穩(wěn)定性差等方面。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類型和問題，需從抗裂、提高承載能力和正常使用性能等方面入手，針對(duì)性進(jìn)行加固改造。

(3)我國既有鐵路橋梁擴(kuò)能改造實(shí)際工程應(yīng)用成果表明，小跨度梁進(jìn)行整體置換、中等以上跨度梁進(jìn)行組合加固或預(yù)應(yīng)力加固、更換和改進(jìn)支座類型、增補(bǔ)樁基或增大截面加固墩臺(tái)基礎(chǔ)等措施對(duì)提高結(jié)構(gòu)承載能力和使用性能具有較好效果，加固改造后的橋梁結(jié)構(gòu)滿足大軸重運(yùn)輸需求。