重载铁路小跨径T梁加固数值分析与试验研究

马 骞

(国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350)

重载铁路在运能、运输效率及运输成本等方面相比普通铁路具有明显优势，因此世界各国均将重载铁路作为今后发展的主要方向。我国从1980年代就开始对重载铁路技术研究，使得相关技术水平迅速提升。目前在运煤线路上25 t轴重载列车已经成为主导车型，并且在向27 t和30 t轴重方向发展。

随着列车轴重的增大，对相关配套设施提出了更高要求。我国铁路设计经过了几个阶段，每个阶段列车设计荷载存在差异，有些阶段列车的荷载值偏小，导致这个时期设计的桥梁结构不能满足重载铁路的要求。为了改善既有桥梁结构受力性能，使其满足重载铁路运营要求，研究人员对桥梁加固技术开展了相关研究[1-7]：崔建龙等[2]通过在既有涵洞中施加体外预应力，分析了其对涵洞受力性能的影响。采用体外预应力后，涵洞的最大挠度减小，对比加固前后的挠度值减小了14%。胡照苌等[3]对于既有简支T梁采用截面增大的方式，改善其受力性能，加固后桥梁控制截面挠度校验系数明显减小。刘斌等[4]分析了单折线形布置体外预应力对于桥梁的影响，体外预应力加固技术使得组合梁的承载力得到了提高，并符合规范要求。雒振林等[6]研究粘贴钢板对钢筋混凝土梁力学性能的影响，研究中分析了有限元ANSYS软件的可行性，数值模拟的结果与试验值较为一致，表明该方法的可行性。

已有的研究中，研究人员往往只关注桥梁受力性能的某一方面，因此有必有针对桥梁的竖向和横向加固措施进行全面分析。

1 碳纤维加固对桥梁竖向性能影响的数值模拟与实测研究

为了明确碳纤维板加固对不同轴重机车对小跨径(跨径12 m)T梁的影响，首先，利用数值模拟的方法得到了加固前主梁竖向性能的分布规律；其次，利用现场实测的方式得到了加固后T梁竖向性能的分布特征。

1.1 有限元模型及参数设置

为了明确不同轴重机车对小跨径(跨径12 m)T梁的影响，利用Midas有限元软件依据主梁图号为专桥(88)1024的参数，建立了有限元模型，梁体及横隔板均采用梁单元，自梁端起沿跨径方向每4 m布置一道横隔板，整孔共布置4道，有限元模型如图1所示。

根据正常运营重载铁路列车速度，考虑了4种工况，列车速度分别为60、65、70和75 km/h，研究了车辆荷载对T梁挠度、振幅和加速度的影响。

研究中除了考虑车辆的竖向力作用外，还考虑了横向摇摆力对桥梁结构的影响，研究中对于横向摇摆力进行了简化，取列车竖向荷载的1/3为列车对桥梁结构的横向作用力[8]。列车荷载采用动荷载的形式施加在节点上，通过节点上z方向的力和y方向的力模拟竖向荷载和横向摇摆力的影响。动荷载时程函数为三角形荷载。

图1 T梁结构有限元计算模型

1.2 碳纤维板加固方案及测点布置

体外预应力加固体系具有强度高、抗疲劳性能好、低松弛、温度适应性良好等优点，因此分析了此加固措施对12 m普通高度钢筋混凝土T梁受力性能的影响。加固中采用的碳纤维板50 mm×3 mm，其设计强度和弹性模量分别为2 600 MPa和160 GPa，单根碳纤维板张拉控制力设为225 kN。加固过程中采用两条50 mm×3 mm的碳纤维板，直线布置在梁底，布置位置见图2。

图2 梁底碳纤维板加固位置(单位：cm)

T梁结构跨中位置测点布置如图3所示。测点布置在第1孔主梁上，动挠度的测点布置在T梁跨中底部，振幅和加速度测点布置在翼缘上部。

图3 T梁测点布置

1.3 对T梁结构竖向力学性能影响

1.3.1 对T梁竖向挠度的影响

T梁加固前后，不同列车荷载作用下T梁结构跨中竖向挠度对比结果见表1。

从表1中可知，随着列车荷载增大，桥梁结构跨中挠度增大，例如加固前C64机车作用下T梁跨中截面的最大挠度为2.04 mm，而在KM98机车的作用下，跨中的最大位移为3.07 mm，两者相比跨中挠

表1 加固前后12 m T梁跨中截面挠度分布规律

度增大了50.5%，挠度增加十分明显。同时也发现，KM98机车作用下T梁跨中截面竖向挠跨比为1/3 909，已经不能满足规范要求(1/4 000)，而中-活载、C80机车作用下，跨中竖向挠度比虽然满足要求，但是与通常值较为接近，表明结构的安全储备较少。采用碳纤维板加固后，在各类荷载下其挠度均出现减小，例如在KM98机车作用下(其轴重为30 t)，跨中最大挠度为2.77 mm，相比加固前挠度减小了0.30 mm；跨中竖向挠跨比也减小到1/4 332，与加固前相比挠跨比降低9.8%。T梁加固后测试结果由之前的不满足规范要求变为满足要求，表明该加固措施对T梁结构竖向刚度具有明显改善，并使其具有了一定的安全储备。

1.3.2 对T梁竖向振幅的影响

T梁加固前后，不同列车荷载对T梁振幅的影响见表2。由表2可知：①在同种机车的作用下，随着机车运行速度的提高竖向振幅逐渐增大，例如在C80机车的作用下，当机车速度由60 km·h-1提高到75 km/h时，竖向振幅由1.49 mm增加到1.69 mm，增加了13.4%；②T梁结构采用碳纤维板加固后，在测试的三种列车荷载作用下，其跨中竖向振幅均出现明显降低。因此可以认为碳纤维板加固对于改善桥梁的竖向振动是十分有效的，振幅最大减小了33.1%。

1.3.3 对T梁竖向加速度的影响

T梁加固前后，不同列车荷载对T梁加速度的影响见表2。由表可知：①在同种机车的作用下，随着机车运行速度的提高竖向加速度与竖向振幅的变化规律基本一致，随着车速的增加跨中加速度逐渐增大。②T梁结构采用碳纤维板加固后，在测试的三种列车荷载作用下，其跨中竖向加速度明显降低，降幅最大达到27.9%。

表2 碳纤维板加固对T梁竖向振幅、竖向加速度的影响

2 横隔板横向加固对桥梁结构力学性能影响的数值模拟研究

已有研究表明梁体自振频率与梁体刚度成正比。梁体的自振频率与其质量分布、组成形式、材料性质等参数密切相关，因此可以从提高桥梁自振频率的角度来改善其横向刚度，因此通过增加横隔板及增加横隔板厚度的方式对其进行加固。为了得到最优的加固方案，通过有限元软件Midas建立模型，分析了横隔板数量、横隔板厚度对其的影响。

2.1 横向连接刚度的变化

在不改变横隔板数量和尺寸情况下，通过改变横隔板的弹性模量来模拟横向连接刚度变化。研究中选取了6种弹性模量，分别为3.0×104、1.5×104、1.0×104、0.5×104、0.3×104和0.2×104MPa，随着横向连接弹性模量(即连接刚度)的改变，主梁的横向自振频率的变化见图4。由图4可知，当横向连接弹性模量逐渐增大时，主梁横向自振频率逐渐增大，特别是弹性模量从0.2×104MPa增大到1.5×104MPa时，主梁的横向自振频率提高了29%；当横隔板的弹性模量超过1.5×104MPa后，主梁横向刚度不再发生明显变化。

图4 桥跨横向自振频率随横向连接弹性模量变化规律

2.2 横隔板厚度的影响

为了明确横隔板厚度对主梁自振频率的影响，在不改变既有横隔板数量的情况下，通过改变不同位置的横隔板的厚度，分析其影响效果。研究中考虑了四种方案：①未加固，跨中和梁端横隔板的厚度采用原始尺寸；②加固1#横隔板，增加跨中横隔板的厚度；③加固2#横隔板，增加梁端横隔板的厚度；④1#和2#横隔板同时加固，跨中和梁端横隔板的厚度均增加。横隔板的编号如图5所示。横隔板厚度改变对主梁自振频率的影响结果如表3所示。由表3中试验结果可知，增加厚度的横隔板从0增加到3个时，T梁的横向自振频率逐渐增大。例如当只改变1个横隔板厚度时(即增加跨中横隔板厚度)，T梁横向自振频率只提高了0.5%，改变很小可以忽略。增厚2个横隔板(即梁端横隔板厚度)时主梁横向自振频率提高9.3%，增厚3个横隔板时主梁横向自振频率提高10.2%。随着增加厚度的横隔板数量的增大，主梁的竖向自振频率变化不明显。

图5 既有桥梁结构横隔板分布

2.3 梁端横隔板厚度的影响

表3 横隔板加固对结构自振频率的影响结果

为了明确梁端隔板不同厚度对主梁自振频率的影响，在不改变既有横隔板数量的情况下，分析了梁端横隔板加固厚度对主梁自振频率的变化规律。两端横隔板的初始厚度为460 mm，横隔板增加的厚度由100 mm递增至500 mm。横向自振频率随梁端横隔板加固厚度变化规律如图6所示。从图中可以看出，随着梁端横隔板厚度增加主梁横向自振频率逐渐增加。例如在初始状态下，主梁结构横向自振频率为10.93 Hz，梁端横隔板增加100 mm时主梁横向频率增大为11.58 Hz。随着端部横隔板继续增厚，横向自振频率持续增大，当端隔板增加厚度超过400 mm后，主梁横向自振频率不再明显改变，因此选择400 mm作为梁端横隔板的最优增加厚度。

图6 横向自振频率随新增横隔板加固厚度变化趋势

2.4 横隔板数量的影响

为了明确不同横隔板数量对主梁自振频率的影响，分析了三种方案：分别为未加固，增加2道横隔板，增加4道横隔板，加固方案如图7所示。由表4中数据可知，增加横隔板数量后，主梁横向自振频率略有增大，增加2道横隔板后主梁横向自振频率最大，因此选择增加2道横隔板的加固方法。

图7 增加横隔板布置

表4 横隔板数量对主梁自振频率的影响结果

3 横隔板横向加固对桥梁结构力学性能影响的现场实测研究

3.1 横隔板方案选取及测点布置

研究结果表明：跨中横隔梁厚度改变影响较小，横隔梁厚度增加400 mm时可以取得较好的效果。原设计方案中，端横隔板的厚度为460 mm，加固后端横隔板的厚度为860 mm。原设计方案中，距离跨中3 m处未设置横隔板，为了确保加固效果，在该处增加了一道厚度为400 mm的横隔板。为了明确该加固方案的具体效果，将该方案在朔黄铁路12 m T梁中应用，并测试加固前后其力学性能的变化规律。T梁结构振动测点布置见图3。测点布置在第1孔主梁上，横向振幅和加速度测点布置在翼缘上部。

3.2 横隔板加固对T梁结构横向力学性能影响

3.2.1 横隔板对T梁横向振幅的影响

不同列车荷载下T梁加固前后振动特性的分布特性见表5。从表中可以看出，采用加固横隔板增强T梁横向连接后，在测试的三种列车荷载作用下，其跨中横向振幅明显降低。加固后，在测试的所有工况下，横向振幅均有明显降低，降低了40%以上，效果最好的降低了52.0%。

3.2.2 横隔板加固对T梁横向加速度的影响

运营列车作用下桥梁加固前后桥跨结构跨中横向加速度测试结果见表5。从表中可以看出，采用加固横隔板增强T梁横向连接后，在测试的三种列车荷载作用下，其跨中横向加速度明显降低。加固后T梁的横向加速度均降低了20%左右，降低最明显的降低了28.1%。

4 结论

(1)随着机车轴重的增大，桥梁的挠度、振幅和加速度均出现增大的趋势。同时还发现，在现行的列车荷载的作用下12 m T梁无法满足铁路的运行需求。

(2)采用碳纤维板对12 m T梁加固后，桥梁结构的跨中挠度、竖向振幅、竖向加速度分别降低11.2%、33.1%、27.9%。

表5 横隔板加固对T梁横向振幅、横向加速度的影响

(3)采用横隔板对桥梁横向加固后，加固后的桥梁结构跨中横向振幅降低52.0 %，横向加速度降低28.1%。