重载运输条件下32 m预应力混凝土简支T梁横向加固方法研究

李保龙

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350)



重载运输条件下32 m预应力混凝土简支T梁横向加固方法研究

李保龙

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350)

随着我国重载运输的持续发展，列车编组增加，车辆轴重增大，运营密度增大，现役桥梁出现横向振动过大危及行车安全的现象。本文以朔黄铁路中比重较大的32 m预应力混凝土简支T梁+双线分离式桥墩+扩大基础的结构形式为研究对象，采用有限元分析结合现场实测的方法，对增加T梁横向联接刚度和桥墩横向刚度的加固效果进行了研究。结果表明：仅增加T梁横向连接刚度，使桥跨结构横向振动得到抑制，仅增加桥墩横向刚度，使桥跨和桥墩横向振动均得到有效抑制，且对桥跨横向振动抑制效果优于增加T梁横向连接刚度，采取同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度的方法对桥跨横向振动抑制效果最优，对桥墩横向振动抑制效果略优于仅增加桥墩横向刚度。

重载运输；横向振动；桥梁加固方法；运营性能试验

0 引言

重载运输由于运能大、效率高等优点，已经受到世界各国铁路运输部门的青睐，并将成为未来铁路货运发展的必然趋势[1]。朔黄铁路作为我国西煤东运的标准化数字化重载铁路，年运量已经突破3亿t，随着2万t扩能改改造完成及30 t轴重列车开行，对全线桥梁结构安全提出了更高的要求。调研发现现役桥梁除“专桥(01)2051、专桥(01)2011、朔黄桥通-18”3个图号的梁型横向连接含预应力外，其余图号梁型存在并置梁横向连接不足，梁体受力不均等现象，下部分离式桥墩横向刚度不足，随着运能增加、轴重增大，运营过程中部分桥梁梁跨结构、墩顶的横向振幅明显偏大，超过《铁路桥梁检定规范》中的通常值，对线路运输能力造成很大影响。为此本文以朔黄铁路跨京九铁路特大桥(150#桥)为研究对象，提出了仅增加T梁横向连接刚度、仅增加桥墩横向刚度、以及同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度的3种加固措施。通过有限元模拟分析，对比3种加固方法对结构横向振动的抑制情况，对3种加固方法进行优选，并结合加固前后对桥梁结构动力性能试验数据，对加固方法进行再次论证分析，为今后类似桥梁病害分析及加固处理提供参考。

1 工程背景

1.1 桥梁简介

朔黄铁路跨京广铁路特大桥(150#桥)，中心里程K322+965，全桥长1 300.92 m，设计为双线上下行分离式，孔跨样式：(1×20 m+1×24 m+38×32 m)预应力混凝土T梁，运营过程中上行线部分孔跨出现跨中及墩顶横向振幅过大，超过《桥梁检定规范》限值的现象，为降低跨中及墩顶横向幅，增加桥梁的横向刚度，采取同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度的方法对桥梁进行加固。为验证加固效果，选取该桥第20孔，19#、20#墩为测试对象，进行动力性能测试，分别测试其加固前后的结构动力特性。第20孔上部结构为32 m普通高度预应力混凝土T梁，19#、20#墩均为分离式矩形板式墩，基础为扩大基础。

1.2 增加T梁横向连接刚度措施

为保证梁体横向连接刚度，采用预应力板对横隔板进行加固，具体加固措施为：梁端1#横隔板处上下各加一块钢筋混凝土板，板宽1.2 m，厚0.35 m。距梁端3 m处加含4束横向预应力钢筋的水平板，板宽1.1 m，板厚0.31 m；2#横隔板加宽0.38 m，并在上下变截面处各加1束横向预应力钢筋；3#、4#横隔板梗肋处各加含4束预应力钢筋的水平板，板宽1.4 m，厚0.31 m；5#横隔板梗肋处加含2束横向预应力钢筋水平板，板宽1.0 m，厚0.31 m。加固前横隔板布置如图1(a)所示，加固后横隔板布置图如图1(b)所示。

图1 32 m预应力混凝土T梁横隔板布置图(单位：mm)

1.3 桥墩加固措施

图2 加固前后桥墩正立面图(单位：mm)

加固前桥墩为分离式矩形板式墩，如图2(a)所示，墩身横向宽度为3.0 m，为增加桥墩横向刚度，采用将上下行单线矩形板式墩通过钢筋混凝土连接为双线矩形板式墩，加固后桥墩如图2(b)所示。加固前先将原桥墩内侧混凝土凿除并植入钢筋，将加固部位钢筋笼与植入原桥墩钢筋进行焊接连接，采用C30混凝土进行浇筑。

2 有限元分析

桥梁结构的横向振动特性除受结构自身刚度和质量影响外还与外界激励荷载有关[2-3]，对重载铁路而言，外界激励荷载主要为重载列车的蛇形运动，当重载列车的蛇形运动频率接近或等于结构横向自振频率时，会引起共振，此时桥梁结构横向振幅最大，对行车安全最不利[4]。车辆的蛇形运动频率与列车行驶速度和蛇形运动半波长有关，其计算公式为

式中，v为列车行驶速度；ls为列车蛇形运动半波长。

2.1 有限元模型介绍

本文利用MIDAS/Civil有限元软件分别建立了桥梁结构加固前、仅增加T梁横向连接刚度、仅增加桥墩横向刚度、及同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度等4种结构状态的有限元计算模型，模拟计算C80重载列车以不同速度通过桥梁结构时结构的横向振动特性，统计对比计算数据，对各方法加固效果进行分析。加固前结构有限元计算模型如图3所示，同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度后结构有限元计算模型如图4所示。

图3 桥梁加固前有限元计算模型图

图4 墩梁均加固后有限元计算模型图

有限元计算模型中采用梁单元模拟桥墩和梁，模型中采用弹性连接模拟支座，在桥梁固定端采用约束SDx、SDy、SDz3个方向的弹性连接，在活动端采用约束SDx、SDz两个方向的弹性连接，弹性连接刚度按盆式橡胶支座的实际特性选取。采用实体单元模拟扩大基础，采用面弹性支撑约束基础底面SDx、SDy、SDz方向的平动自由度，在横隔板加固位置添加过预应力，模拟横隔板预应力加固，预应力钢筋的张拉控制应力为1 350 MPa。

2.2 模型计算荷载

重载列车通过桥梁结构时对桥梁结构的作用主要包括竖向荷载和横向摇摆力。列车轮对横向压力由车辆车体、转向架、轮对的侧向水平惯性力引起，这些惯性力同时引起轮对对钢轨的侧倾力(竖向作用)[5]。铁路桥梁动力学中通过测量得出直线桥梁上的车轮水平横向力在10～30 kN范围内，均值为24 kN。就车轮横向力对竖向力的依赖关系进行了统计分析，表明这种依赖关系是很大的，结果也确证水平横向力Fs大约为竖向轮力F的1/3[6]。

朔黄铁路设计时速为80 km/h，目前朔黄铁路重载列车运营速度大部分在55～75 km/h，为了分析加固前后列车行驶速度对桥梁结构横向振动的影响，有限元分析过程中，通过定义不同的时程函数模拟了C80重载列车分别以55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h通过桥梁结构。动力分析时C80列车简化荷载如图5所示。

图5 动力分析时C80列车简化荷载图

2.3 有限元分析结果

C80重载列车以不同速度通过桥梁结构时，桥梁加固前、仅增加T梁横向连接刚度、仅增加桥墩横向刚度以及同时增加T梁横向连接刚度和桥墩刚度四种状态，跨中横向振幅计算值统计如表1所示，跨中横向振幅计算值与列车行驶速度关系如图6所示。

表1 加固前后桥跨跨中横向振幅计算值统计表 mm

图6 跨中横向振幅计算值与列车行驶速度关系图

从表1和图6中数据可以看出：桥梁加固前跨中C80列车通过桥梁结构时跨中最大横向振幅计算值为2.81 mm，超过《桥梁检定规范》中安全限值(2.54 mm)的要求，仅增加T梁横向连接刚度后，跨中横向最大振幅值计算值为2.48 mm，与加固前相比降低11.7%；仅增加桥墩横向刚度后跨中横向振幅为2.15 mm，与加固前相比降低23.5%；采取同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度后跨中横向振幅为1.92 mm，与加固前相比降低31.7%。与同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度相比，仅增加T梁横向连接刚度可以达到37%的加固效果，仅增加桥墩横向刚度可以达到74%的加固效果。

C80重载列车以不同速度通过桥梁结构时，4种结构状态下，墩顶横向振幅计算值统计如表2所示，墩顶横向振幅计算值与列车行驶速度关系如图7所示。

表2 加固前后墩顶横向振幅计算值统计表 mm

图7 墩顶横向振幅与结构状态关系图

从表2和图7中数据可以看出：桥梁加固前C80列车通过桥梁结构时墩顶最大横向振幅计算值为1.08 mm，超过《桥梁检定规范》中安全限值(0.81 mm)的要求，仅增加T梁横向连接刚度后，墩顶横向振幅最大计算值为1.02 mm，与加固前相比降低5.6%；仅增加桥墩横向刚度后，墩顶横向振幅为0.74 mm，与加固前相比降低31.5%；采取同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度后，墩顶横向振幅为0.60 mm，与加固前相比降低44.5%。与同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度相比，仅增加T梁横向连接刚度可以达到12.5%的加固效果，仅增加桥墩横向刚度可以达到70.8%的加固效果。

3 运营性能试验分析

结构的横向振幅直接反映结构横向振动特性，《铁路桥梁检定规范》中对桥梁结构的跨中横向振幅通常值，安全限值，墩顶横向振幅通常值均有规定。

试验中采用SS4+55C64列车作为试验编组列车，分别以速度60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h和80 km/h通过桥梁结构，测试中在跨中及墩顶位置布置动态测点采集列车通过时跨中及墩顶横向振动参数，将加固前与同时增加T梁横向连接刚度后测试数据进行对比分析，并与《铁路桥梁检定规范》中有关限值进行对比，分析加固效果。加固前后20孔跨中横向振幅实测值统计见表3所示。

表3 加固前后20孔跨中横向振幅统计表 mm

由表3中数据可知，编组列车荷载作用下加固前20孔跨中横向振幅最大值为2.96 mm，对应列车行驶速度为70 km/h，超过《铁路桥梁检定规范》规定通常值(2.54 mm)的要求，加固后20孔跨中最大横向振幅为1.69 mm，对应列车行驶速度为75 km/h，与加固前相比，跨中横向振幅减小43.1%，共振速度提高了5 km/h。加固前后19#墩、20#墩墩顶横向振幅实测值统计见表4所示。

表4 加固前后墩顶横向振幅统计表 mm

由表4中数据可知，编组列车荷载作用下加固前，19#墩墩顶横向振幅最大实测值为1.21，对应列车行驶速度为70 km/h，超过《铁路桥梁检定规范》规定安全限值(0.82 mm)的要求，加固后墩顶横向振幅最大实测值为0.79 mm，满足规范要求，对应列车行驶速度为75 km/h，加固后19#墩墩顶横向振幅降低34.7%。20#墩墩顶横向振幅最大实测值为1.15，对应列车行驶速度为70 km/h，超过《铁路桥梁检定规范》规定安全限值(0.77 mm)的要求，加固后墩顶横向振幅最大实测值为0.73 mm，满足规范要求，对应列车行驶速度为75 km/h，加固后20#墩墩顶横向振幅降低36.5%。

4 结论

随着重载运输的不断发展，既有重载铁路桥梁出现桥跨及桥墩横向刚度不足而导致桥跨横向晃动过大，影响行车安全，本文以朔黄铁路32 m预应力混凝土T梁和分离式矩形板式墩为研究对象，提出仅增加T梁横向连接刚度、仅增加桥墩横向刚度、同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度的3种加固方法，通过有限元模拟分析3种加固方法加固效果并结合现场运营性能试验数据，可得如下结论：

(1)就降低跨中横向振幅而言，3种加固方法中，同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度加固效果最佳，增加桥墩横向刚度的加固方法优于采取仅增加T梁横向连接刚度的加固方法。

(2)就控制墩顶横向振幅而言，3种加固方法中，同时增加T梁横向连接刚度和桥墩横向刚度加固效果略优于增加桥墩横向刚度的加固效果，仅增加T梁横向连接刚度的加固方法对墩顶横向振幅抑制效果不明显。

[1]钱立新.世界铁路重载运输技术的最新进展[J].世界轨道交通,2007(12)：20-23.

[2] 兰晓峰,刘鹏辉,尹京,等.大准铁路32m预应力混凝土梁桥横向振动性能试验研究[J].铁道建筑,2010(9)：16-19.

[3] 夏禾,陈英俊.车-梁-墩体系动力相互作用分析[J].土木工程学报,1992,25(2)：3-12.

[4] 李国豪. 桥梁结构稳定与振动[M].北京: 中国铁道出版社, 1991:269-310.

[5] 陈淮,曾庆元.桥上列车横向摇摆力的随机分析[J].桥梁建设,2002(2):1-4.

[6] 曾庆元,郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论与应用[M].北京:中国铁道出版社,1999：201-209.

Analysis of Reinforcement Method for 32 m Prestressed Concrete T-beams Under Heavy-load Transportation

Li Baolong

(Development Co. Ltd. of Shuo-Huang Railway, Suning 062350, China)

With the sustainable development of overload transportation in our country, the increases of train formation, the increases of vehicle axle load, the increases of operating density, bridges presently in service are subject to excessive transverse vibration, which will endanger the safety of train operation. Taking the 32 m prestressed concrete T-beams plus double separated bridge pier and enlarged foundation, which is a main structure form in Shuohuang-railroad, as the research object, with the method of finite element simulation analysis and field measurement, this article studies the reinforcement effect of T-beam cross connection and pier transverse rigidity.The results show that, only increasing the stiffness of transverse connection of T beams reduces the transverse vibration of the span structure, while only reinforcing the transverse stiffness of bridge pier has a significant effect on controlling the lateral vibration of both bridge span and bridge piers, and the effect of this measure on the lateral vibration of bridge span is better than the measure to increase the lateral connection stiffness of T-beam. Compared with the previous measures, increasing T-beam transverse connection and the transverse stiffness reinforcement of bridge pier in the meantime makes the effect best, with a better effect on transverse vibration of the pier than only increasing the transverse stiffness of the pier.

heavy railway； lateral amplitude； bridge reinforcement method； operation performance experiment

2015-07-07 责任编辑:刘宪福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.07

李保龙(1979-),男，工程师，研究方向为铁道工程。E-mail：443732905@qq.com

U443

A

2095-0373(2016)02-0033-06

李保龙.重载运输条件下32 m预应力混凝土简支T梁横向加固方法研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(2):33-38.