既有重载铁路墩梁加固分析

李承君，马 林

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

大秦铁路是我国第一条重载铁路和双电气化运煤专用线。自 1988年开通以来，先后开行了4 000 t、5 000 t、6 000 t、9 500 t和11 000 t的 货 物 列 车。 为 适应铁路跨越式发展，自2005年开始，大秦线开行了2万t长大重载列车，随后每年以50 Mt的运量递增，2008年年运量达到340 Mt。列车编组形式为万吨单元列车和2万t组合列车并存，轴重由21 t提高到25 t，列车编组数量最大增加到240辆，主要车型逐步过渡为 C80。

通过对既有线路及桥梁综合试验结果进行分析，发现在2万t列车运行条件下，桥梁和桥墩的主要问题在于:跨度20 m及以下双片式并置梁由于两片梁仅在梁端处有横隔板连接，中间无横向连接，横向刚度和稳定性不足，横向自振频率较低，不能满足《铁路桥梁检定规范》(以下简称《桥检规》)的要求;跨度32 m预应力混凝土梁的横向连接不足，高墩条件下横向振幅超过《桥检规》安全限值，两片梁存在较大挠度差，梁体共同作用不良;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。为保证列车的运营安全，有必要对桥梁、桥墩进行加固，提高其横向刚度。

1 加固总体思路

振动系统的频率值只与结构本身的固有特性如结构质量分布、组成形式、刚度、支承情况和材料性质等有关，而与其所受荷载等其它条件无关。由于既有结构的材料性质和截面形式都不能改变，可以考虑通过加强梁的横向连接或加强对梁体的约束等方式来增大梁的固有频率。根据以往铁路混凝土简支梁提速加固的经验，加强两片梁之间的横向连接可有效地提高梁体横向刚度。对于桥墩也可以采取增大桥墩横截面尺寸或对上、下行线并行桥墩进行连接的加固方法。

根据结构的受力情况，梁的加固应遵循以下原则:控制新增联结系的重量，并优先设置在梁端附近，避免加固后梁跨中恒载弯矩增加过多;新增连接的位置尽量避开原梁预应力钢束密集区域。桥墩的加固在保证加固效果时，应尽量减少新增混凝土的重量，以减小对地基的影响。加固方案的设计应考虑施工的可行性并尽量减少加固后养护维修的工作量。

2 梁的加固

结构固有频率的计算从数学角度上说属于求特征值问题。为模拟梁的实际结构形式、质量分布和支承状态，在有限元分析时建立实体模型进行模态分析，用分块兰索斯法进行模态提取，避免由于模型中含有形状较差的单元而引起的不收敛问题。

建立梁模型时不考虑桥面铺装及道砟对梁体几何尺寸的影响，仅将其作用等效为均布荷载加在道砟槽板内，即增大道砟槽板的密度;由于原梁的横隔板内未设预应力钢筋，其强度低于梁体，在模型中对其弹性模量进行适当折减。对简支梁采用了一端固定、一端铰支的约束条件。计算时用定义不同的单元特性来描述梁体不同部分的弹性模量、密度等特性。

2.1 跨度20 m及以下双片式并置梁

选取大秦线上有代表性的跨度20 m低高度预应力混凝土梁进行加固设计，图号为专桥(89)2032。

加强两片梁的横向连接是提高梁体横向刚度的有效方法。在进行多种加固方案的计算分析并综合考虑加固后结构的静刚度后，提出了5种加固方案，通过对新增横隔板位置及厚度的调整进行优选。原梁及加固后横隔板的位置见图1。图1中1～3为原梁梁端连接及肋板，a，b，c为新增横隔板位置。各方案中横隔板尺寸见表1。

图1 20 m并置梁原梁及加固后横隔板布置示意

表1 20 m并置梁横向加固扩大横隔板方案 m

根据以上提出的加固方案，建立有限元模型进行模态分析，得到原梁及不同加固方案结构的自振频率，由于关心的主要是结构的低阶频率，故仅列出前三阶振型的频率，计算结果见表2。

表2 原梁及加固后结构自振频率 Hz

计算结果表明，各加固方案都使结构的横向刚度有所提高，横向一阶和扭转一阶分别提高了10.1% ～14.3%和9.5% ～14.3%，竖向一阶频率降低仅为0.22%～0.67%，梁体的横向刚度提高较大而竖向刚度降低很小。仅就横向刚度而言，方案4的加固效果最好，然而，由于低高度梁的斜弯曲效应比普通高度梁要大，考虑梁体的整体工作性能，推荐使用加固方案5进行实桥的加固试验。

由于加固中新增加了混凝土和钢筋，这使得简支梁跨中预压应力减小，从而使结构的抗裂性下降，需对不同加固方案下的抗裂安全系数进行估算。原曲线梁的抗裂安全系数为1.308，下缘预压应力1.21 MPa;原直线梁的抗裂安全系数为1.297，下缘预压应力0.34 MPa。加固方案5中新增结构使跨中下缘应力增大0.211 MPa，曲线梁和直线梁抗裂安全系数约为1.257、1.237。

2.2 跨度32 m预应力混凝土简支梁

32 m预应力钢筋混凝土普通高度梁在大秦线上有着广泛的应用，占全线桥梁的比例达55%，共有三种图号:叁标桥2019、叁标桥2039和专桥2059。

选择图号为叁标桥2039的梁进行加固设计，该梁型在32 m梁中占52%。它全长32.6 m，采用T形截面，梁高2.8 m，在梁的两端设有局部加厚区。单线线路由通过横隔板相连的两片梁组成，梁上包括端隔板共设9道横隔板。

参考原200 km/h提速32 m简支梁加固的科研成果，并考虑大秦线既有梁型的承载能力及重载运输要求，尽可能减少新增混凝土的重量并使新增重量尽量靠近梁端，以避免跨中弯矩增加过多。在此基础上提出并计算了4种加固方案，各方案均以加强梁端连接为主，同时对原梁的9道横隔板进行加强，并在跨中区段桥面板下增设水平板以改善桥面的整体性。

加固后的横隔板布置见图2，图2中1#～5#为原梁横隔板，a～e为新增横隔板位置，同时在梁端腹板变截面处新增水平连接板。各方案中横隔板尺寸见表3。

图2 32 m梁加固后横隔板布置示意

表3 32 m简支梁加固横隔板扩大方案 m

上述各方案中 b，c横隔板的宽度和位置稍有改变，1～3方案中是和原横隔板连在一起的，方案4中为方便施工将b，c横隔板与原横隔板间隔5 cm;方案3中未加梁端横向连接板是考虑该部位只能采用普通混凝土结构，若去掉该处连接则全梁新增连接均为预应力混凝土结构;方案2、3将梁端水平板改为上、下两块板是考虑该处为梁端预应力束弯起密集区域，位置摆放有一定困难。

根据以上提出的加固方案，建立有限元模型进行模态分析，得到原梁及不同加固方案结构的自振频率，计算结果见表4。

表4 32 m简支梁原梁及加固后结构自振频率 Hz

计算结果表明，各加固方案都使结构的横向刚度有所提高，横向一阶和扭转一阶分别提高了6.9% ～19.7%和4.7% ～15.0%，竖向一阶频率降低仅为0.76%～0.83%。各加固方案中方案4的加固效果最好，推荐使用该方案进行实桥的加固试验。

原曲线梁的抗裂安全系数为1.238，设计活载作用下跨中下缘预压应力0.411 MPa;原直线梁的抗裂安全系数为1.296，设计活载作用下跨中下缘预压应力1.711 MPa。大秦线是运煤专用线，开行2万t长大重载列车后，主要车型为 C80，轴重25 t，其余车型均不超过该轴重，同时线路上也无特种荷载通过，故分析加固后在25 t轴重荷载条件下结构的抗裂性。加固方案4中新增结构使跨中下缘应力增大0.280 MPa，曲线梁抗裂安全系数约为1.370;直线梁抗裂安全系数约为1.456，满足要求。

3 中高圆形墩的加固

大秦线桥墩以圆端形、圆柱形和双柱形为主，最大墩高50 m。基础为扩大基础、桩基础或沉井。

根据综合试验及补充动载试验对墩高在17.6～34.1 m范围内的28个圆形桥墩横向自振频率和墩顶横向振幅的实测数据可以看出，墩高在17.6～24.6 m范围内的单线中高圆形墩横向动力性能较差，有必要对其进行加固，以确保列车安全运营。大秦线是双线铁路，需要根据单线桥墩的位置情况分别设计加固方案并进行模拟计算。

根据以往的加固经验，提出了以下几类加固方案:桥墩采用部分圆锥体加固;双线桥墩在墩身用一定尺寸的连接板连接;将托盘顶帽和墩身同时用连接板连接。

3.1 单线

主要采用扩大桥墩横截面尺寸的方法，圆锥体加固可有效提高结构刚度，由于加固的目的主要是提高横向自振频率，同时为避免结构自重增加过大，考虑采用部分圆锥体进行加固。以黎河桥21号桥墩为例设计加固方案，由于该桥为后期增设双线，所以上、下行桥墩中心连线与线路中心线并不垂直。取墩全高的0.6 h进行部分圆锥体加固，上部扩大0.25 m，底部分别扩大1.0 m，1.2 m，1.5 m，提出加固方案1～方案3。加固前及加固后结构形式如图3所示。

图3 单线桥墩加固前及加固后形式

桥墩加固前、不同加固方案中结构自振频率见表5。

采用方案1能够提供足够的横向刚度。

表5 单线桥墩自振频率 Hz

3.2 上下线并行

可以采用部分圆锥体方案或连接板加固方案。部分圆锥体方案1～方案3中新增结构物的尺寸与单线桥墩相同。加固后结构自振频率见表6。

表6 上下线并行桥墩自振频率 Hz

连接板加固共提出以下4种方案:仅在墩身1/2高度处用矩形板连接;在墩身1/3及2/3高度处用矩形板连接;在墩身1/2高度处用哑铃形板连接;托盘、顶帽连接同时墩身用矩形板连接。根据连接板的高度和厚度不同，共细化为10个加固方案。加固方案如图4、表 7。

桥墩加固前、不同加固方案中结构频率见表8。

通过有限元分析可以看出:哑铃形连接板的加固方案与矩形连接板方案相比，虽新增的混凝土重量有所减少但是对提高频率的优势并不明显。上下两处连接桥墩方案增加了施工量但加固效果与加固方案2接近。墩身、托盘顶帽连接方案在很大程度上提高了桥墩的整体性，虽然加固后一阶频率略有降低，但是二阶及以上频率优于其它方案，同时大大提高了结构的抗扭刚度。而圆锥体加固方案虽然一阶频率提高较多，但是圆锥体模板的制作与加固部分混凝土的灌注存在较大难度，同时结构增加混凝土重量相对较大，不能保证全桥各桥墩加固后地基承载力均小于容许承载力。

图4 连接板加固方案示意

表7 双线桥墩采用连接板加固方案 m

表8 双线桥墩采用连接板加固前后频率 Hz

4 加固效果

加固后的动力性能试验表明:20 m并置梁加固后，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。跨中横向振幅比加固前减小约50%，梁端最大横向振幅减小约40%。测试的32 m梁由于上、下行之间的盖板联结作用较强，盖板上道砟较厚，提高了梁体的横向刚度，故动力性能试验未给出实测值，竖向自振频率降低约1%，跨中横向振幅比加固前减小约30%，梁端最大横向振幅减小约40%。可以看出，加固后梁体的整体性能有较大提高，加固效果良好。实测的桥墩属于两墩中心线与线路方向垂直区段，因此采用托盘和顶帽全部连接方案加固，加固后横向自振频率提高约60% ～70%，墩顶横向振幅减小约50%，加固后桥墩的横向刚度明显改善，桥墩横向自振频率和墩顶横向振幅满足《桥检规》的要求。

5 结论及建议

大秦线是重要的运煤通道，为保证运量大幅增长后列车的安全运营，有必要对桥梁结构进行加固。本文提出的加固方案能够满足提高结构刚度的要求。

在简支梁加固中，除梁端位置外，其余新增横隔板均有横向预应力筋，可以保证新增结构有足够的刚度和耐久性。对于20 m及以下并置梁，如果选用的是弧形支座或平板支座，应增加梁端限位装置，以消除梁端振幅过大的影响，进一步提高梁体横向刚度。

双线桥墩墩帽间新增连接部分是普通钢筋混凝土结构，为便于施工并避免长期运营后开裂，可以采用预应力结构，但施工难度和施工费用会相应增加。对于上、下行桥墩中心连线与线路中心线并不垂直的区段，采用连接板加固后，结构的振型不再垂直或平行于线路中心线，一阶频率变化不大;若采用部分圆锥体加固，需对加固体尺寸进一步优化，以满足地基承载力的要求，对于这种情况，还需进一步研究。

［1］李国豪.桥梁结构稳定与振动［M］.北京:中国铁道出版社，1996.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］卢炜 李承君.大秦重载铁路既有中高圆形桥墩加固方案的研究［J］.铁道建筑，2008(4):17-19.

［4］铁道科学研究院.大秦线年运量2亿 t条件下桥梁结构加固和寿命评估试验研究报告［R］.北京:铁道科学研究院，2007.

［5］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.