既有铁路桥梁重载改造技术研究与应用

高 勋，牛 斌

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

我国的重载运输始于1984年，在京秦线等线路上试验开行组合式重载列车。在取得经验的基础上，我国第一条开行重载单元货物列车的双线电气化铁路大秦线于1988年完成一期工程后通车。大秦线全长653 km，在近20年的发展过程中，先后开行了轴重21 t、牵引重量4 000 t，5 000 t，6 000 t和10 000 t的货物列车。2005年，铁道部决定在大秦线开行2万t长大重载列车，轴重提高至25 t，列车编组数量由120辆增加到240辆。2008年大秦线年运量达300 Mt，2009年运量达340 Mt。2010年运量接近400 Mt。

1 既有线桥梁开行重载列车适应性分析

根据铁科院前期完成的“25 t轴重作用下既有中—活载中小跨度混凝土桥梁疲劳寿命评估”及在大秦、大包、包兰等线路开展的相关试验，我国既有铁路桥梁基本具备开行轴重25 t重载列车的条件。目前，除大秦线外，实施重载改造的既有线桥涵多以中小跨度混凝土结构为主，建设年代久、设计标准不一致，部分20世纪20年代修建的梁部结构仍在使用，且存在石砌墩台承载力差、木桩基础承载能力不详等问题。近期，随着C80万t重载列车的开行，加剧了桥梁等工务设备病害的发展，养护维修费用逐年上升。同时，对于中小跨度桥梁，由于列车通过时的疲劳次数急剧增加，其疲劳问题不容忽视。

1.1 桥梁静力承载性能

我国既有铁路桥涵的设计活载均采用“中—活载”。理论计算结果表明，对于跨度50 m及以下的常用跨度结构，开行轴重25 t重载货车后，运营活载的静力效应较普通21 t货物列车增大约8% ～25%，其中部分小跨度桥梁运营活载的静力效应接近或达到设计活载(图1)。同时，新研制的大功率重载牵引机车的静活载效应小于既有DF8B机车。考虑到我国现行“设计规范”中桥梁的设计动力系数偏于安全，因此，采用“中-活载”设计的桥涵在承载能力方面基本可以满足开行轴重25 t重载列车的要求。

图1 C62M、C80货车跨中运营活载效应与设计活载效应对比

1.2 桥涵动力效应

由于C80系列货车的动力性能有所改善，重载列车作用下桥梁动力效应存在的主要问题与普通客货共线铁路提速后的状态大体类似，主要表现在以下方面:①跨度20 m及以下双片式混凝土并置梁无横向联系，横向自振频率较低，梁体振幅偏大;②部分桥墩横向刚度偏弱，横向自振频率偏低，振幅偏大;个别高墩横向振幅超过安全限值;③采用橡胶支座的桥梁横向限位能力弱，梁体横向出现整体平动;④小跨度桥涵填土厚度不足，冲击系数偏大;⑤跨度32 m、24 m预应力混凝土梁的横向联结偏弱，横隔板断裂现象十分严重;⑥单线中高圆形桥墩横向自振频率偏低，振幅偏大，超过《桥检规》通常值。

1.3 小跨度桥涵的疲劳效应

以C80货车通过桥梁为例(图2和图3)，对于中等跨度以上的桥梁，每节列车通过时梁部结构产生应力峰值的循环次数较少;而对于小跨度桥梁，每节列车通过时梁部结构均产生一次应力循环，因此梁部结构的疲劳损伤急剧增加。因此，小跨度桥梁的疲劳问题是桥涵结构能否满足重载运输要求的关键技术之一。

图2 跨度12 m和8 m桥梁C80列车加载示意

图3 跨度4 m桥梁C80列车加载示意

2 既有线桥梁重载加固改造对策

2.1 跨度20 m及以下并置梁加固方案

研究提出了5种加固方案，各方案中以加强梁端联结为主，同时考虑梁的整体工作性能，对新增横隔板的位置、数量和厚度进行了计算分析比较，以便于优化选择。原梁及加固后的横隔板布置示意如图4，图4中1为原梁端连接，2和3为原梁肋板，a，b，c为新增横隔板的位置。由于梁端腹板厚度超过80 cm，无法钻孔设置横向预应力筋，故采用普通钢筋混凝土结构(a位置)，中间新增横隔板均为预应力混凝土结构(b、c位置)。5种加固方案横隔板的具体尺寸见表1。

对5种加固方案的加固效果进行了有限元计算分析。计算结果(表2)表明，提出的5种加固措施，对专桥(89)2032跨度20 m并置梁，一阶、二阶横向及扭转自振频率分别比原梁提高了10.1% ～14.3%、3.7%～8.8%和9.5% ～14.3%，一阶竖向频率仅降低0.22%～0.67%。考虑到低高度梁的斜弯曲效应比普通高度梁大，为了能同时消除并置梁跨中振动相位差及斜弯曲的不利影响，最终选择加固方案5进行实桥的加固试验。

图4 原梁及加固后的横隔板布置示意

表1 20 m并置梁横向加固横隔板扩大方案

表2 20 m并置梁原梁及加固后结构频率计算结果 Hz

2.2 跨度32 m简支梁墩加固方案

考虑既有桥梁的承载能力及重载运输要求，加固应尽可能减少新增结构的重量，并使新增重量尽量靠近梁端，以减少恒载弯矩增加，在此基础上提出了4种加固方案，各方案以加强梁端联结为主，同时对原梁的9个横隔板进行加强，并在跨中区段面板下增设水平联结板以改善桥面的整体性(图5)。

方案1:梁端横隔板加厚至0.9 m、与其相邻的2个横隔板上下增加长度0.43 m、厚度0.2 m的水平板;在梁端腹板扩大的前部增加长度 1.35 m、厚度0.25 m的水平联结板;在跨中三个横隔板桥面板下增设长度0.9 m、平均厚度0.24 m的水平板;

方案2:水平联结板改为上、下两块0.2 m厚 ×0.4 m长的板，其余和方案1相同;

图5 32 m梁加固后横隔板布置示意

方案3:未加梁端横向联结，其余和方案2相同;

方案4:梁端横隔板加厚至0.9 m、与其相邻的2个横隔板上下增加长度0.4 m、厚度0.2 m的水平板;在梁端腹板扩大的前部增加长度1.1 m、厚度0.3 m的水平联结板;在跨中三个横隔板桥面板下增设长度0.9 m、平均厚度0.24 m的水平板。

计算结果(表3)表明，提出的4种加固措施，对跨度32 m预应力混凝土梁的横向刚度均有提高，一阶、二阶横向及扭转自振频率分别比原梁提高了6.9%～19.7%、5.8% ～25.6%和 4.7% ～15.0%，一阶竖向频率仅降低0.76% ～0.83%。4种加固方案中，方案4的加固效果最好。

表3 32 m简支梁原梁及加固后结构频率计算结果Hz

由于加固中新增加了恒载重量，根据各加固方案，对跨度32 m预应力混凝土梁进行了抗裂性验算。经过验算，按现行“桥规”在既有25 t轴重荷载下，加固后的跨度32 m预应力混凝土梁(直、曲线)的抗裂安全系数＞1.2，其承载能力可满足使用要求。

2.3 圆形中高墩加固方案

根据大秦线的实测结果，上行和下行线(轻、重车线)墩高在17.6～21.6 m之间的桥墩墩顶横向振幅普遍超过“桥检规”通常值的要求，最大超出1.47 mm，是相应通常值的2.05倍。墩高在21.6～24.6 m之间的桥墩，部分桥墩墩顶的横向振幅也超过“桥检规”通常值，桥墩横向自振频率大部分不能满足“桥检规”通常值的要求。墩高在31.1～34.1 m之间的桥墩，墩顶横向振幅基本能满足“桥检规”通常值的要求。为保证运营安全，对墩高在12.0～28.0 m之间的桥墩均采取提高横向刚度的加固措施。

1)上行和下行线并行、两个桥墩较近时，主要采用连接两个桥墩的托盘和墩帽方法，使其成为框架结构，该条件下共提出4种方案，具体加固方案如下:两桥墩托盘和顶帽处自上向下连接0.6 m(方案1);两桥墩托盘和顶帽全部连接(方案2);方案1+基础连接(方案3);方案2+基础连接(方案4)。

2)单线桥墩时，主要采用扩大桥墩截面尺寸的方法，共提出14种加固方案，具体加固方案如下:墩身上部加厚0.2 m(方案5);墩身上部和下部均加厚0.2 m(方案6);墩身加厚成圆锥体，分为底缘加厚1.0 m和1.5 m，加固高度分别为0.3，0.5，0.6倍墩身高度共6种方案(方案7～方案12);墩身横向加厚成部分圆锥体形，宽度与墩身直径一致，分为底缘加厚1.0 m和1.5 m，高度分别为0.3，0.5，0.6倍墩身高度共6种方案(方案13～方案18)。

对于双线桥墩，根据有限元计算结果(表4)，采用加固方案1和方案2时，桥墩横向自振频率分别提高了63.7%，67.5%，58.6%和 66.6%，70.7%，61.1%。考虑到加固方案3、方案4采用全部连接比部分连接的连接方案效果仅提高约5%，因此设置基础连接的效果并不明显。最终选择加固方案2作为此类桥墩横向加固的实施方案。

对于单线桥墩，根据有限元计算结果，最终建议采用加固方案9和加固方案15，加固后桥墩的横向自振频率分别提高了71.4%和75.8%，桥墩横向刚度的增强与形成框架结构基本相当，具体方案为桥墩下部加厚1.0 m，加固范围为0.6倍墩身高度。检算结果表明，桥墩的地基承载力可满足要求。

表4 双线桥墩加固前后自振频率计算结果 Hz

2.4 加固效果的试验验证

1)低高度并置梁加固效果

根据实测结果，加固后梁体横向自振频率提高约20%，竖向自振频率降低约1%，与理论计算基本一致。列车通过时，梁体跨中横向振幅减小幅度约50%，梁端横向振幅减小约40%，振幅均＜0.6 mm，梁体的横向加固效果良好。

2)跨度32 m预应力混凝土简支梁加固效果

实测加固后梁体跨中横向振幅减小约30%，梁端横向振幅减小约40%，满足“桥检规”通常值要求，加固效果良好。实测梁体竖向自振频率仅降低约1%，加固后虽然梁体的结构重量有所增加，但对梁体竖向动力特性影响不大。

3)圆形中高墩加固效果

根据实测结果，加固后桥墩横向自振频率在2.43～2.69 Hz，比加固前桥墩的横向自振频率提高约60%～70%，增加幅度与理论计算值基本一致。加固后实测墩顶横向振幅最大为1.81 mm，减小幅度约50%。加固后桥墩的横向刚度得到明显改善，桥墩的横向自振频率和墩顶横向振幅均满足“桥检规”通常值的要求。

2.5 中小跨度桥梁的疲劳试验研究

为模拟C80货车及其动力效应，对大秦线一片跨度8 m钢筋混凝土梁进行了室内疲劳试验，疲劳次数达20，256，300次，并进行了连续不中断疲劳的1 000万次疲劳循环。其间先后共进行7次静载试验，以获取在疲劳试验不同阶段桥梁的性能数据。试验结果表明，梁体混凝土梁和下缘钢筋工作正常，未发现明显新增裂纹，已有裂纹也没有明显扩展。

钢筋疲劳试件是从大秦线实际运营的混凝土梁中凿取出来的。试件工作段长度840 mm。疲劳试验最小吨位取10 kN，进行拉—拉循环加载。试验应力比为0.06～0.10。共进行了10根试件的疲劳试验，以得到钢筋的S—N曲线(图6)。8 m钢筋混凝土梁下缘钢筋疲劳参数比较见表5。

图6 钢筋疲劳试验结果

根据试验结果，钢筋的疲劳试验回归曲线方程为

其中，Δσ =201.1 MPa，相关系数 r=0.915 6，均方差s=0.148 1，取97.7%保证率，回归曲线下限为

其中，疲劳应力幅Δσ=174.7 MPa。

用疲劳最大应力数据统计，得97.7%保证率的疲劳回归曲线下限为

其中，疲劳最大应力幅 Δσ=195.5 MPa。

表5 8 m钢筋混凝土梁下缘钢筋疲劳参数比较

疲劳损伤分析表明，在良好的养护维修状态下，大秦线8 m低高度钢筋混凝土梁疲劳性能能够满足年运量200 Mt的运营需要。对于年运量400 Mt条件，如果采用相同的2万t编组C80列车，按照目前桥梁状态，桥梁能够满足设计使用的要求。

3 存在的问题与研究展望

目前，针对大秦线桥梁重载加固改造的工作已经全面展开，并按计划逐年实施，但在工作中遇到了许多新问题，主要包括:①上行和下行线错位较大桥墩的横向加固方法;②墩高超过40 m桥墩在重载列车作用下横向晃动剧烈的机理及对策;③重载改造后桥梁的长期性能与合理的养护维修周期。大力开发桥梁等工务设备的长期监测系统是未来重载技术的发展方向之一。

［1］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号 铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］铁道科学研究院.铁道混凝土桥梁的病害与修补加固［C］//2003桥梁病害诊治论坛.北京:铁道科学研究院，2003.

［3］中国工程建设标准化协会标准.GB50367—2006 混凝土结构加固技术规范［S］.北京:中国建筑出版社，1991.

［4］中国铁道科学研究院.大秦线年运量2亿吨条件下桥梁结构加固和寿命评估试验研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2009.

［5］李承君，马林.既有重载铁路墩梁加固分析［J］.铁道建筑，2010(10):22-25.