基于六五式铁路军用桥墩的重载铁路墩部抢修应用研究

程 泳

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

目前，铁路重载已成为诸多国家货物运输的发展方向，相比于普通铁路运输方式，铁路重载可显著提高运输能力。为解决我国运输能力紧张的问题，我国相继建成大秦、朔黄、晋中南和浩吉四条重载铁路，受限于地势限制或出于解决土地的目的，上述铁路修建了大量桥梁，据相关统计，大秦、晋中南和朔黄铁路的桥梁孔数分别为3 562孔、9 018孔和2 554孔。桥梁因其自身结构特点，在战时或自然灾害突发时，容易遭受破坏，且易毁难修。为保障铁路桥梁在遭受破坏后能够快速形成通行能力，我国于20世纪先后研制了用于梁部抢修的六四式铁路军用梁、八七型铁路应急抢修钢梁、拆装式桁梁以及用于墩部抢修的六五式铁路军用桥墩、八三式铁路轻型军用桥墩。限于研制年代技术水平，上述铁路桥梁抢修器材仅适用于普速铁路。为满足铁路快速发展所带来的保障需求，谢爱华[1-3]开展了新型中等高度桥墩、新式活动栈桥、浮箱三种抢修器材的相关研究。高占军[4]针对快速铁路抢修需求探讨了新型抢修器材所需具备的主要战术技术条件。由于现阶段没有重载铁路桥梁抢修所需专用器材，郑捷[5]开展了拆装式桁梁用于重载铁路梁部抢修的可行性研究，明确了重载运输时不同跨度、不同拼组形式拆装式桁梁的受力薄弱部位，为重载铁路桥梁梁部抢修提供了技术支撑。桥墩作为桥跨支撑结构，其结构安全性更加重要，但尚未见重载铁路墩部抢修研究的相关报道。本文以六五式铁路军用桥墩(简称六五墩)为研究对象，进行六五墩用于重载铁路墩部抢修的应用研究，研究成果可进一步丰富重载铁路桥梁抢修的技术体系。

1 影响因素分析

为探讨六五墩用于重载铁路墩部抢修的可行性，首先需要明确六五墩使用的影响因素。影响六五墩使用性能的主要因素为：荷载、配合梁跨及六五墩墩型三种，现分别展开分析。

1.1 配合梁跨

利用六五墩进行重载铁路墩部抢修时，首先需要确定待抢修桥梁跨度，为使分析更具针对性，表1统计了大秦、朔黄和晋中南重载铁路桥梁的跨度情况。

表1 重载铁路桥梁跨度数量

分析表1可知，既有重载铁路桥梁以32 m跨度为主，再辅以24 m跨度，其它小跨度桥梁占比很小，故本文重点对六五墩配跨24 m、32 m两种跨度进行分析。

1.2 荷载分析

六五墩原设计荷载为中-活载，现行重载铁路设计荷载为ZH荷载(z为荷载系数，z=1.0、1.1、1.2)，如图1所示。进行六五墩受力分析时需要考虑主力和附加力，其中，主力主要包括结构自重、ZH荷载反力、冲击力和离心力；附加力主要包括制动力、风力、摇摆力和水流冲击力。鉴于离心力、水流冲击力与曲线半径、水流速度相关，而重载铁路桥梁大多数位于无水、直线线路地段，因此，本文分析时未考虑离心力和水流冲击力影响。

图1 ZH荷载图式

主力荷载取值时：结构自重包括抢修钢梁自重和抢修桥墩自重，依据既有研究，抢修钢梁采用拆装式桁梁，其中24 m拆装梁自重约33 t，32 m拆装梁自重约55 t；抢修桥墩自身由其结构形式决定，分析时计算程序自动赋予。ZH荷载反力根据梁部通行荷载情况计算后施加于墩顶。

附加力荷载取值时,横向摇摆力、风力依据《铁路桥涵设计规范》(TB 10002—2017)中的有关规定计算。冲击系数的选取依据《六五式铁路桥墩简明手册》。制动力与列车竖向动力作用同时计算时，制动力按列车静活载的7%计算。

1.3 墩型选择

六五墩为拼装式结构，设计之初根据通行荷载及抢修钢梁跨度不同，设计了适用于不同高度区间的桥墩结构型式。鉴于在桥墩结构形式相同时，其墩身越高受力越不利的情况，分析时均采用各结构形式的最大适用墩高进行，具体如表2所示。

2 可行性分析

2.1 计算工况

在通行速度较低的情况下，抢修桥墩的计算需要重点关注其结构受力和整体稳定性的情况。桥梁抢修完毕后，其上通行荷载存在重载、空载多种方式，在比较分析的基础上，选取对抢修钢墩受力较为不利的三种情况展开分析，分别为：双孔重载、单孔重载、双孔空车通行。在此基础上考虑荷载组合方式，形成6种计算工况，如表3所示。

表2 六五墩常规墩型

表3 计算工况

确定分析工况后，需要明确配合梁跨。由上文分析可知，六五墩配合梁跨主要为24 m和32 m两种。鉴于24 m和32 m跨度进行组合时，24 m+24 m跨度组合墩顶反力最小，32 m+32 m跨度组合墩顶反力最大，故分别以24 m+24 m和32 m+32 m对研究对象，结合表3所示工况展开分析。

六五墩能否用于重载铁路抢修，取决于杆件受力与其设计承载能力的比较，为便于分析，表4给出了六五墩各部位承载力限值，表中位移依据《铁路桥梁抢修(建)技术规程》计算求得。

表4 六五墩杆件承载力限值及位移要求

2.2 受力分析

利用有限元软件Madis Civil软件建立整体有限元模型，分析时垫梁和立柱采用梁单元，联接系角钢采用桁架单元，假定地基处理合格，桥墩下垫梁与地基刚接。

2.2.1 配跨24 m+24 m

依据表3所列工况，对六五墩配跨24 m+24 m拆装梁用于重载铁路墩部抢修时进行受力分析，提取六五墩各部位最不利工况下的数据，其结果如表5所示，表中“*”表示超过受力限值。由表5可知：

(1)当z=1.0时，3×3墩型的受力薄弱部位有立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移两处；3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移三处；3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撑、桥墩纵向位移两处。

表5 配跨24 m+24 m拆装梁受力分析结果

(2)当z=1.1时，3×3、3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移三处；3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型的受力薄弱部位与z=1.0时相同。

(3)当z=1.2时，3×3、3×4墩型与z=1.1时的受力薄弱部位相同；4×4、4×6墩型的受力薄弱部位有垫梁腹板、部分立面斜拉撑、桥墩纵向位移三处；3×5、4×5、5×6受力薄弱部位与z=1.0时相同。

2.2.2 配跨32 m+32 m

仍依据表3所列工况，对六五墩配跨32 m+32 m拆装梁用于重载铁路墩部抢修时进行受力分析，提取六五墩各部位最不利工况下的数据，其结果如表6所示，表中“*”含义与表5相同。由表6可知：

(1)当z=1.0时，3×3墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移四处；3×4墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移三处；4×4墩型的受力薄弱部位有部分垫梁、部分立面斜拉撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移四处；4×5、4×6墩型的受力薄弱部位有部分垫梁、部分立面斜拉撑、桥墩纵向位移三处；3×5、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立面斜拉撑、桥墩纵向位移两处。

(2)当z=1.1时，3×3、3×4墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜拉撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移四处；4×4、4×6墩型的受力薄弱部位与z=1.0时一样；4×5墩型的受力薄弱部位有部分垫梁、部分立柱、部分立面斜撑、桥墩纵向位移四处；3×5、5×6墩型的受力薄弱部位有部分立柱、部分立面斜拉撑、桥墩纵向位移三处。

(3)当z=1.2时，3×3、3×4、3×5、4×5、5×6墩型的受力薄弱部位与z=1.1时相同；4×4墩型的受力薄弱部位有部分垫梁、部分立柱、部分立面斜拉撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移五处；4×6墩型的受力薄弱部位有部分垫梁、部分立柱、部分立面斜拉撑、桥墩纵向位移四处。

2.3 加固措施

六五墩用于重载铁路墩部抢修时，共有垫梁、部分立柱、部分立面斜拉撑、立柱与下垫梁连接处、桥墩纵向位移五处受力薄弱部位。其中：

表6 配跨32 m+32 m拆装梁受力分析结果

(1)立面斜拉撑、桥墩纵向位移超限情况最为突出，在配跨24 m+24 m和32 m+32 m时的七种墩型中均有出现。对于斜撑杆超限情况，安装条件容许时可采用双肢撑杆，安装条件不容许时可新制大截面撑杆单肢安装，同时需要验算连接螺栓的承载力；对于纵向位移超限情况，需要提高桥墩纵向刚度，可通过降低使用墩高、增大桥墩纵向截面等方式实现。

(2)垫梁以及立柱与下垫梁连接处受力超限情况在三种墩型中存在，且配跨32 m+32 m时的超限数量多于配跨24 m+24 m。鉴于垫梁为剪应力超限，可通过在腹板外贴钢板的方法提高其承载能力；对于立柱与下垫梁连接处受力超限情况，由于立柱与下垫梁之间无法增加螺栓数量，可在立柱、下垫梁连接处增加额外连接方式，例如采用角钢、卡板等连接立柱和下垫梁，但要注意立柱或垫梁与新增连接件连接位置的局部受力情况。

(3)立柱轴力超限仅在配跨32 m+32 m时存在，且当荷载系数z=1.2时最为普遍，七种墩型均存在超限现象。进一步分析立柱位置发现，轴力超限的立柱主要位于桥墩中部，主要原因是上部荷载在各立柱间分配不均所致，可通过增加上垫梁刚度、调整垫梁位置等方式调整荷载横向分布，增大边柱和桥墩中部立柱的协同受力。

3 结论

(1)六五墩手册中现有墩型不能直接用于重载铁路墩部抢修，但可依据具体工程进行检算，并对部分杆件内力或墩顶位移超限情况采取相应技术措施加固后，进行重载铁路墩部抢修。

(2)依据六五墩用于重载铁路墩部抢修所需加固难易程度，推荐墩型选取原则为：配跨24 m+24 m拆装梁且系数z=1.0、1.1时，可选用3×5、4×4、4×5、4×6、5×6墩型；当z=1.2时，可选用3×5、4×5、5×6墩型。墩配跨32 m+32 m拆装梁且系数z=1.0、1.1时，可选用3×5、4×5、4×6、5×6墩型；当z=1.2时，可选用3×5、4×6墩型。