铁路重载运输条件下超低高度预应力混凝土梁加固效果试验研究

蔡超勋（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081）



铁路重载运输条件下超低高度预应力混凝土梁加固效果试验研究

蔡超勋
（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081）

摘要简述了一种32 m超低高度预应力混凝土简支梁的荷载调配式辅助钢梁加固设计方案及施工工艺，通过加固过程的监控试验及加固前后桥梁静动力性能试验，全面评估其加固效果。结果表明:辅助钢梁与原梁共同工作性能良好，荷载调配式辅助钢梁可承担原梁30％～40％的恒载，分担原梁近20％的活载；加固后原梁跨中截面下翼缘混凝土应变、跨中挠度、竖向振幅、横向振幅实测值均得以不同程度的降低，加固效果明显；加固后的桥梁能满足30 t轴重重载运输要求，可在超低高度预应力混凝土梁重载加固中推广应用。

关键词重载线路；超低高度梁；辅助钢梁；加固

国内外重载运输实践经验表明，提高列车轴重、增加编组长度是实现重载铁路运输的主要技术发展方向，美国、加拿大、澳大利亚等重载发达国家列车轴重集中在32. 5～35. 4 t，最大轴重已达40 t［1］。目前，我国既有重载铁路最大轴重开行25 t轴重、载重80 t级的煤炭专用敞车C80。为提高运输效率，某些线路拟通过对既有线路基础设施的强化改造，开行30 t及以上轴重的重载货物列车。我国前期建设的铁路在跨线地段及平原地区，为降低桥梁区段路堤填筑高度，保证桥下净空要求，提高经济效益，采用了一些低（超低）高度梁。针对大轴重重载运输条件下低（超低）高度梁的重载适应性及强化技术，我国学者开展了大量研究并取得了很多成果。文献［2-3］对新建重载条件下桥梁设计活载标准进行了研究；文献［4］试验研究了30 t轴重下朔黄铁路桥涵结构强化技术；文献［5］试验分析了30 t轴重重载货车作用下预应力混凝土梁动力响应；文献［6］计算分析了32 m超低高度预应力混凝土简支T梁的重载适应性和加固方案；文献［7］对辅助钢梁加固重载铁路桥梁进行了动力响应实测分析。本文在这些研究的基础上，介绍了一种32 m超低高度预应力混凝土梁的荷载调配式辅助钢梁加固设计方案及加固施工工艺，通过加固过程的监控试验及加固前后桥梁静动力性能试验，对其加固效果进行全面的试验评估，形成了一种可推广应用的超低高度预应力混凝土简支梁的重载加固技术。

1　加固方案简介

为提高梁体的抗裂性、强度和竖向刚度，以满足重载运输要求，经加固设计方案比选，采用荷载调配式辅助钢梁进行加固。其设计思路是通过设置横向预应力，使辅助钢梁与原超低高度预应力混凝土梁（以下简称原梁）协同变形，共同受力；通过顶升预弯辅助钢梁，使辅助钢梁不仅要分担列车活载，还要承受原梁的部分恒载，达到恒载调整、活载分配的目的，并充分利用辅助钢梁自重小、强度高的特点。

辅助钢梁每片梁分为3段，采用工厂制造，并设置了66 mm的预拱度，单片辅助钢梁宽0. 5 m，高1. 5 m，计算跨度为32 m，梁体长度32. 6 m；钢梁中心距原梁中心的横向距离为0. 83 m，两片钢梁中心的横向距离为3. 46 m。辅助钢梁腹板厚度为24 mm，翼板厚度为36 mm。梁体加固平、立面图及横断面布置情况见图1、图2。

在原梁跨中增设预应力混凝土锚固横梁，在原梁每片T梁的外侧各增设1片工字形辅助钢梁，3段辅助钢梁现场通过高强螺栓连接成型，并通过锚固横梁与原梁联结。辅助钢梁与锚固横梁联结形成共同受力结构后，在钢梁支座附近位置顶升辅助钢梁至目标位置（为避免辅助钢梁在顶升过程中失稳，在其支点位置设置了横向限位装置），并安装纵向活动球型钢支座和完成辅助钢梁与原梁的其他竖向及横向联结，使辅助钢梁与原梁形成组合结构共同承担荷载作用。

该加固方案已在某线一座跨度32 m超低高度预应力混凝土简支梁桥重载改造中实施。

图1　32 m超低高度预应力混凝土梁加固平、立面（单位：mm）

图2　32 m超低高度预应力混凝土梁加固跨中及梁端截面（单位：mm）

2　加固效果评估试验设计

评估静力试验内容：①测试加固前后相同类型货车作用下原梁动力性能（跨中截面梁体应变、挠度、横向振幅、竖向振幅），以对梁体进行综合评估；②为评估加固施工顶升预弯辅助钢梁能承担多少原梁的恒载，测试加固过程中原梁跨中截面上下翼缘混凝土应力及挠度；③为评估辅助钢梁能分配多少原梁的活载，测试加固前后相同类型货车作用下梁体跨中截面应力及挠度；④为验证辅助钢梁与原梁共同工作性能如何，测试加固后重载列车通过时辅助钢梁及原梁跨中截面应变及挠度。

在加固前后跨中截面应变的测试中，为避开加劲肋与横隔板、横向加固块对局部受力测试结果的影响，统一选取跨中偏桥梁大里程方向0. 5 m处作为梁体应变测试截面。

桥梁动力性能评估时，测试货车选用该线运用时间最短的25 t轴重的C80；加固前后试验次数各取20次，加固前后测试货物列车均随机选取，两组试验列车速度平均值不超过10 km/h；取20次试验数据的平均值作对比。在试验评估时给出了少量的30 t轴重C96货车的测试数据作为参考。

3　试验结果

3. 1加固效果综合评估

图3为加固前后各项试验数据的对比；表1给出了加固前后20趟C80测试货车通过时，各试验项目的平均值。通过辅助钢梁加固，原梁跨中截面下翼缘混凝土应变、跨中挠度、竖向振幅、横向振幅实测值均降低15％以上，加固效果明显。

图3　荷载调配式辅助钢梁加固前后原梁试验数据对比

表1　加固前后各实测梁体响应平均值对比

3. 2恒载调整试验结果

辅助钢梁与原混凝土梁体在跨中0. 8 m范围内固结后，在辅助钢梁两端施加30. 5 t的顶升力再进行支座安装。顶升过程中对原混凝土梁跨中截面上、下缘混凝土应力及挠度进行了测试。辅助钢梁顶升完成后，实测原梁跨中截面处梁体上拱6. 10 mm，原梁跨中截面下缘混凝土产生120×10- 6（4. 3 MPa）的压应变，上缘混凝土产生72×10- 6（2. 6 MPa）的拉应变。

经检算，原梁恒载作用下跨中截面挠度为13. 80 mm，跨中截面混凝土下缘受拉应力15. 8 MPa，上缘受压应力7. 3 MPa。

通过顶升施工，原梁恒载作用下跨中挠度降低44. 2％，跨中截面下缘拉应力降低27. 2％，上缘压应力降低35. 6％，即辅助钢梁承担了原梁约30％～40％的恒载，达到了恒载调整的目的。

3. 3活载分配试验结果

加固前后在C80重载货车作用下，原梁跨中截面下翼缘梁体应变平均值分别为196×10- 6，165× 10- 6；跨中挠度平均值分别为17. 72，14. 25 mm。加固后，原梁跨中截面下翼缘应变及跨中挠度均显著降低，降低量分别为15. 9％和19. 6％。

在最理想的加固效果条件下，原梁与辅助钢梁形成组合结构，协同一致变形，活载按刚度进行分配。在考虑原梁与辅助钢梁形成的组合结构条件下（原梁与辅助梁质心一致），原梁与辅助钢梁的刚度比为3. 54，即辅助钢梁可分配原梁22％的活载。

实测加固后原梁跨中挠度及跨中截面下翼缘应变降低近20％，略低于理论计算值，这与加固后组合结构质心略低于原梁质心、加固前后测试的C80货车装载偏差、组合结构变形不完全一致等因素有关。从测试结果来看，辅助钢梁分担了原梁约20％的活载，与原梁形成组合结构提高了原梁约20％的刚度，达到了提高原梁刚度、分配原梁活载的目的。

3. 4共同工作性能试验结果

加固后在C80重载货车作用下，辅助钢梁与原梁跨中截面处梁体挠度平均值均为14. 2 mm，跨中截面应变平均值分别为132×10- 6和164×10- 6。辅助钢梁与原梁跨中截面挠度基本一致，同一截面高度处应变有一定差异，这与测试截面辅助钢梁与原梁无连接，活载通过跨中截面横向连接块在原梁与辅助钢梁间的传递衰减等有关。虽辅助钢梁与原梁变形并不完全一致，但从活载分配试验结果来看，两者能协同承受活载作用，横向连接处能协同变形，辅助钢梁与原梁共同工作性能良好。

3. 5加固后30 t轴重货车运营试验

原梁加固后，测试了12趟30 t轴重C96试验货车，以评估加固后桥梁在30 t轴重重载货车作用下的运营状态。试验货车按60，70，75，80 km/h 4种速度进行试验，每速度级试验3次，试验货车采用SS4机车牵引，牵引总重约为54 000 kN。

实测梁体竖向振幅、横向振幅、跨中挠度及下缘混凝土应变的实测最大值分别为0. 90 mm，0. 49 mm，15. 30 mm和181×10- 6。梁体跨中挠度及应变的实测值见图4。各实测结果均满足《铁路桥梁检定规范》的相关要求，加固后的桥梁可满足30 t轴重重载运输要求。

图4　加固后30 t轴重实测原梁应变及挠度

4　结论

采用荷载调配式辅助钢梁加固32 m超低高度预应力混凝土简支梁方案，辅助钢梁与原梁共同工作性能良好。荷载调配式辅助钢梁可承担原梁30％～ 40％的恒载，分担原梁近20％的活载；加固后原梁跨中截面下翼缘混凝土应变、跨中挠度、竖向振幅、横向振幅实测值均降低15％以上，加固效果明显。加固后的桥梁能满足30 t轴重重载运输要求，可在超低高度预应力混凝土梁重载加固中推广应用。

参考文献

［1］柯在田.重载铁路工务技术发展趋势的研究［C］/ /中国铁道学会.发展铁路重载运输货车暨工务研讨会论文集.齐齐哈尔：中国铁道学会，2011.

［2］胡所亭.铁路重载条件下桥梁活载标准研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2013.

［3］王丽，张玉玲.新建重载铁路桥梁设计荷载标准的研究［J］.土木工程学报，2013，46（3）：103-109.

［4］薛继连. 30吨轴重下朔黄铁路桥涵结构强化技术试验研究［J］.铁道学报，2015，37（3）：93-99.

［5］蔡超勋，刘吉元，肖祥淋，等. 30 t轴重重载货车作用下常用跨度预应力混凝土简支梁动力响应的试验分析［J］.铁道建筑，2015（1）：1-6.

［6］闫晓夏，柯在田，徐玉胜，等.朔黄铁路32 m超低高度预应力混凝土简支T梁适应30 t轴重货车加固改造分析［J］.铁道建筑，2014（11）：1-5.

［7］蒋丽忠，龙卫国，余志武，等.辅助钢梁加固重载铁路桥梁的动力响应分析［J］.湖南大学学报（自然科学版），2013，40 （7）：28-33.

（责任审编孟庆伶）

Experimental Study on Reinforcing Effect of Ultra-low Height Prestressed Concrete Girder Under Heavy Haul Railway Transport

CAI Chaoxun
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractAuxiliary steel beams were used to strengthen a simply supported 32 m ultra-low height prestressed concrete girder. T he design and construction were introduced in this paper. Its reinforcing effect was evaluated through experimental tests during construction. Both static and dynamic responses before and after construction were analyzed. T he results show that the auxiliary steel beams effectively distribute dead load by 30％～40％，and 20％ live load. W ith reinforcement，the test values of concrete strain at the bottom flange in the mid-span，the deflection at the mid-span，the vertical and transverse vibration are deduced. T he reinforced bridge meets the strength requirement for heavy haul transport with 30 t axil loads. T his reinforcement technology may be widely applied.

Key wordsHeavy haul railway；Ultra-low height girder；Auxiliary steel beam；Reinforcement

中图分类号U445. 7+2

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 02

文章编号：1003-1995（2016）06-0007-04

收稿日期：2016-02-15；修回日期：2016-04-12

基金项目：国家科技支撑计划（2013BAG20B00）

作者简介：蔡超勋（1982—），男，助理研究员，硕士。