大轴重条件下既有铁路桥梁适应性分析及对策研究

陈树礼,许宏伟,刘永前

(1.石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院,石家庄 050043； 2.大型基础设施性能与安全省部共建协同创新中心,石家庄 050043； 3.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043)

因其具有环保、节能、高效的巨大优势，“货运重载”已经成为继“客运高速”以后未来我国货运铁路的重要发展方向，而对既有铁路进行大轴重扩能改造则是提高运输能力和效率的主要方式。对于铁路桥梁而言，列车轴重的提高相应增大了作用在桥梁结构上的荷载和冲击，采用较早设计标准和施工标准的桥梁大多呈现出一定的不适应性，具体表现在承载能力不足、振动过大、开裂严重、劣化加快和疲劳寿命降低等方面。大轴重运输对既有铁路桥梁安全运营造成不利影响[1-2]。

为准确掌握大轴重运输对桥梁结构的作用，国内外学者通过理论分析、数值模拟和实桥试验等手段，开展了深入的适应性分析研究。秦宝来、左家强等[3-5]基于模拟分析和实际工程应用，探究了大秦铁路常见类型桥梁结构在重载运输条件下的受力特性；李运生、崔鑫等[6-11]以既有铁路钢结构桥梁为对象，基于数值模拟和理论分析，深入研究了大轴重运输对不同类型钢结构桥梁的受力影响规律，也提出了一些可行的加固改造建议；高国良、龙卫国等[12-17]在详细统计桥梁现状和重载运输条件基础上，采用理论分析和试验相结合的手段，重点分析了中小跨度桥梁在25,27 t和30 t轴重列车作用下的适应性，认为重载运输对小跨梁影响较大，其静动力性能、耐久性等均有所下降；胡所亭、谷牧等[18-20]基于模型试验和现场试验，系统开展了既有铁路桥涵结构在大轴重运输条件下的适应性研究，提出包括基于预应力碳纤维布、体外预应力、波纹板加固等在内的多种加固改造方法，并在既有铁路上进行了典型工程应用。

已有研究表明，开行大轴重列车不可避免地降低既有铁路桥梁结构的安全储备，但既有研究多以某种类型典型桥梁为研究对象，研究内容也较为单一，针对大轴重条件下常见跨度桥梁的适应性研究还不全面，也缺乏系统的加固改造整治对策总结分析。我国既有铁路桥梁建设年代跨度大、设计和建设标准不统一，服役状态差异也较大，桥梁受力复杂，对桥梁进行强化改造是既有铁路重载化面临的重要技术难题。在前述研究基础上，通过对我国铁路设计荷载演变历程和重载运输发展历程的系统总结，结合不同设计标准桥梁结构的受力特性分析和相关改造加固工程实例，系统开展大轴重运输条件下既有铁路桥梁适应性分析和对策研究，研究成果可为既有铁路重载化扩能改造提供技术参考。

1 我国铁路设计标准及重载运输发展历程

1.1 铁路设计标准发展历程

列车荷载图式代表了铁路移动装备对工程结构的作用特征和作用量值，是一组按照不同轴距和轴重组合，依据不同规律排列并具有可变速度的力学模型。自新中国成立到目前为止，我国铁路桥梁荷载图式一共经过了7次较大修改，分别为1951年、1959年、1975年、1985年、2000年、2005年和2016年。

1951年6月，我国颁布实施了中-Z活载标准，按照铁路等级不同区别对待，分为中-18级、中-22级和中-26级，一般按照中-22级设计。1958年颁布实施的设计规范中规定，对于≤40 m跨度桥梁，设计时采用中-22级标准。中-Z活载采用后，车辆平均载质量得到较大提高，伴随而来的是载重50 t和60 t的敞车得到快速发展。1975年，我国在修改铁路设计规范时，将中-Z活载标准修订为中-活载，1985年修订规范时仍然采用中-活载荷载图式，其主要特点是考虑了机车质量的增加和均布荷载以及特殊荷载的增加，但中-活载标准同样是在蒸汽机车牵引和早期的运输组织背景下制定完成，其原型是“蒸汽机车+煤水车+货车车辆”。

2000年以来，根据高速铁路和城际铁路的发展需求，我国研究制定了高速铁路和城际铁路列车荷载图式。2005年，铁道科学研究院研究提出了适用于客货共线(ZKH)和货运铁路(ZH)桥梁的中-活载(2005)图式，两种图式荷载标准较中-活载都有适当提高。2016年国家铁路局发布的《铁路列车荷载图式》[21]则规定了高速铁路、城际铁路、客货共线铁路和重载铁路的专业列车荷载图式，考虑了我国“客运高速、货运重载”的技术特点，适应不同的运输特征，预留了合理的储备系数，而特种活载设计也较好地解决了小跨度桥梁的受力和疲劳问题。几种典型荷载图式见图1。

图1 我国铁路设计荷载图式

根据既有研究资料，目前我国采用中-Z活载设计的桥梁结构约占总数的28.7%，其余基本采用中-活载图式，且劣化达到A级的桥梁占比也达到30%，桥梁结构劣化程度较高[22]。

1.2 机车车辆发展

随着重载运输快速发展，对机车车辆在牵引力、节能和环保等方面提出了更高要求，机车发展突飞猛进，内燃机车和电力机车是目前铁路货物运输的核心车型。

20世纪80年代以来，DF8、DF8B内燃机车和SS4B、SS4B、SS7等电力机车先后研制成功，轴重达到25 t，牵引质量达到5 000 t。2003年以来，我国在大功率内燃机车和电力机车技术方面不断取得突破，轴重25 t及以上的HXD1、HXD2、HXD3、神24型等电力机车以及HXN3、HXN5型内燃机车和HXN6型等混合动力机车都得到了成功应用，最大轴重达到30t，运行速度达到120 km/h，牵引力也达到了2 280 kN，并且在安全、环保性能和智能等领域得到了全面改进提升。

配合大轴重机车的迅速发展，铁路货车经历了3次较大的技术升级换代。建国初期，货车轴重完成了载重30 t级向50 t级的第一次升级换代。随着中-活载标准的实施和大轴重电力机车的逐渐应用，C62、C64型货车的应用实现了载重60 t级的第二次升级换代。2003年以后，以C70为代表的载重70 t级通用货车和以C80为代表的载重80 t级运煤专用敞车的研制和生产，标志着铁路货车实现了向70～80 t级第三次升级换代。近年来，以C96、KM98为代表的载重100 t级运煤专用敞车的研制成功，标志着铁路货车第四次升级换代的开始。

截止2019年末，我国铁路货车拥有量达到了85.7万辆[23]，分别为21 t级、23 t级、25 t级和30 t级，包括敞车、棚车、罐车、漏斗车等多种类型，常见运煤敞车基本参数见表1。

表1 常见货车参数

轴重25 t级和30 t级大轴重货车的投入使用，可以使单车载质量比既有C64货车提高33%～70%，进而大幅度提高运能。但轴重的提高相应加大了作用在桥梁结构上的荷载和冲击，其承载能力和耐久性能需进行科学评估。

2 荷载效应及活载储备量分析

荷载效应是指在工程结构设计和使用中，由荷载作用引起的结构或结构构件内产生的内力(如轴力，剪力，弯矩等)变形和裂缝等的总称，荷载效应和抵抗能力是一种相互关系。大轴重列车开行，作用到结构上的荷载效应发生变化，尤其是采用中-Z荷载和中-活载设计的桥梁，变化更大。常见货车与不同设计活载作用下的桥梁静效应比值见图2。

图2 常见货车与设计活载静效应比值

活载储备量=[1-Max(运营活载效应/设计活载效应)]×100%，其中，正值表示桥梁有一定的安全储备，负值表示运营荷载超过设计安全储备，零值表示运营荷载和设计荷载二者相符。不同轴重列车作用下的桥梁结构活载储备量分析见图3。

图3 桥梁活载储备量分析

从图2、图3中数据可以看出，对于5 m以下跨度桥梁，结构受力主要受轴重和轴距控制，大轴重条件对其影响最为显著。在21，23，25，30 t轴重货车作用下，对于按照中-Z活载和中-活载设计的桥梁结构，桥梁荷载效应比值介于0.87～1.24之间，而活载储备量则介于-23.97%～13.22%，跨度越小荷载效应比值越大且活载储备量越低；对于按照ZH活载设计的桥梁结构，桥梁荷载效应比值介于0.63～0.89之间，而活载储备量则介于10.71%～37.5%，同样也表现为桥梁跨度越小荷载效应比值越大，而活载储备量越低。荷载效应增大和活载储备量降低，说明按照中-Z活载和中-活载设计的5 m以下小跨度桥梁的安全储备严重不足，大轴重条件下呈现出严重的不适应性。

对于跨度5～18 m桥梁，结构受力主要受轴重、轴距和邻轴距控制，大轴重运输条件对其影响非常明显。在21，23，25，30 t轴重货车作用下，对于按照中-Z活载和中-活载设计的桥梁结构，桥梁荷载效应比值介于0.73～1.22之间，而活载储备量则介于-21.67%～28.37%，跨度越小荷载效应比值越大且活载储备量越低；对于按照ZH活载设计的桥梁结构，桥梁荷载效应比值介于0.46～0.79之间，而活载储备量则介于23.40%～58.25%，同样也表现为跨度越小荷载效应比值越大而活载储备量越低；按照中-Z活载和中-活载设计跨度5～18 m桥梁的安全储备也存在一定程度不足。

对于跨度18 m及以上桥梁，结构受力主要受均布荷载控制，大轴重运输产生的影响相对小一些。在21，23，25，30t轴重货车作用下，对于按照中-Z活载和中-活载设计的桥梁结构，桥梁荷载效应比值介于0.69～1.13之间，而活载储备量则介于-13.90%～35.19%，跨度在50m及以下时，荷载效应和活载储备量均有一定程度的富余，而当跨度超过50m时，荷载效应逐渐增大而活载储备量不断降低。对于按照ZH活载设计的桥梁，桥梁荷载效应比值介于0.52～0.83，活载储备量则介于17.36%～44.48%，跨度越大荷载效应愈大而活载储备量则有下降趋势；按照中-Z活载和中-活载设计的中等以上跨度桥梁的安全储备也存在一定程度不足。

因此，我国既有铁路按照中-Z荷载以及中-活载设计的桥梁结构，在25 t及以上荷载作用下，其活载储备量均有所降低，尤其是小跨度桥梁结构，其活载储备量几乎没有或者已为负值，已经用光了安全储备。根据既有研究资料，当活载储备量小于0.10时，长期持续的大轴重荷载作用下桥梁安全性和耐久性降低迅速，容易出现开裂、振动加剧、挠度偏大等系列病害，荷载作用下疲劳损伤增长迅速，承载能力不足问题日益凸显[16]。

3 桥梁结构面临的主要问题及强化对策

大轴重运输对桥梁结构的作用主要体现在竖向、横向和纵向3个方面。机车车辆轴重提高必然会引起竖向荷载增大，影响结构承载能力和疲劳性能，尤其对小跨度桥梁影响最大。同时，竖向荷载增加导致横向摇摆力和离心力增大，进而导致桥梁振动和疲劳损伤加剧以及耐久性降低，危及安全。此外，列车竖向荷载的增加和列车同步操纵的提高都引起作用在桥梁上的纵向力有增大趋势，大轴重运输条件下桥梁支座和下部结构都承受了更大的荷载作用，结构病害日益突出。

鉴于大轴重运输引起的一系列问题，需分门别类进行归纳分析，进而针对性地采取相应措施进行强化改造。

3.1 小跨度桥梁

我国铁路桥梁多为标准设计，通常情况下认为16 m及以下跨度梁为小跨度梁，20 m及以上桥梁为中等以上跨度梁。小跨度桥梁一般多为钢筋混凝土结构，其典型特点是跨度小、截面高度低，而病害则突出表现在开裂严重、刚度退化明显、振动响应偏大和劣化程度高等方面。小跨度桥梁设计时一般按照轴重加载控制，对轴重的提高最为敏感，轴重是影响小跨度桥梁受力的关键控制指标。对于此类型结构，其安全储备很小或已用尽，强化改造的核心是提高梁体的抗裂性能和整体刚度，将既有普通钢筋混凝土结构更换为其他类型的整体结构是一种最直接和效果最好的方法。

2018年6月，某重载铁路8 m跨度钢筋混凝土T梁进行了更换施工，将并置式钢筋混凝土T梁更换为整体式钢混组合梁，见图4。

图4 某重载铁路8 m桥梁更新改造

换梁施工采用高架台车方案，在原位进行新旧梁置换，单孔施工历时4 h。更换前后桥梁动力性能试验表明，更换前后梁体跨中横向振幅、竖向振幅、横向加速度、挠跨比、动力系数和自振频率分别为0.40 mm和0.10 mm，0.42 mm和0.25 mm，0.53 m/s2和0.37 m/s2，1/4 839和1/5 538，1.20和1.05，13.75 Hz和12.77 Hz。更换为组合梁以后，桥跨振动显著降低，梁体跨中挠度较更换前也有所减小，整体稳定性得到明显提升。

2019年12月—2021年7月，对某重载铁路十余座12 m跨度板梁进行了更换施工，将并置式钢筋混凝土板梁更换为整体式预应力板梁，见图5。在桥梁更换前后进行静动力性能试验，桥梁更换前后典型参数试验结果分别见图6、图7。

图5 某重载铁路12 m桥梁更新改造

图6 并置梁和整体梁荷载-位移关系曲线对比

图7 并置梁和整体梁跨中横向振幅对比

将并置梁更换为整体梁后，梁体挠度、振动等各项控制指标均得到了明显改善，相同荷载作用下，整体梁挠度约为并置梁的1/3，梁体竖向刚度和承载能力得到显著提高。更换前后梁体实测横向自振频率分别为9.0 Hz和21.08 Hz，更换后自振频率提高134%，且一阶振型也表现为竖向弯曲，与并置梁一阶横弯表现有所差异，整体梁横向刚度也得到了大幅提升。

3.2 中等以上跨度桥梁

中等以上跨度桥梁多为预应力混凝土结构，跨度32 m以上梁多采用钢桁梁或钢板梁结构。对于全预应力结构桥梁而言，设计活载作用下梁底面不允许出现拉应力，结构也不允许出现开裂。根据既有研究结果，大轴重列车开行引起梁体抗裂安全系数进一步降低，不能满足长期安全运营要求，对其改造的原则就要基于提高抗裂性能和抗弯承载能力目的出发。

体外预应力、辅助钢梁、增大截面等均为梁体加固常用且有效的方法。其中，预应力碳纤维板加固梁体在重载铁路中得到了较多应用，具有更轻的加固质量、更强的材料耐久性和更好的加固效果[16]。预应力碳纤维加固梁体对比见图8。

图8 预应力碳纤维板加固

跨度64 m下承式钢桁梁是既有铁路中的又一重要类型，多按照通用设计图制造。大轴重运输条件下，桥面系纵横梁及其连接构件、受拉杆件和连接构件的受力更为复杂，安全储备降低且易发生疲劳损伤，对其加固改造的原则是对薄弱杆件和连接进行加强、增大有效截面并降低应力幅，减小疲劳损伤。

基于上述原则，基于详细的大轴重适应性分析计算，某重载铁路64 m钢桁梁进行了加固改造施工，主要对关键受力杆件进行补强加固，针对12根薄弱杆件、36块鱼形板和32根纵梁进行了强化改造加固，采用拼接钢板或角钢的方法来增大截面，并将原有连接板更换为尺寸更大钢板，现场加固施工见图9。

图9 钢桁梁加固

参考文献[24]的检测数据，加固后纵梁下缘应力减小35%，加固构件应力达到34 MPa，加固构件与原结构共同受力，有效降低了原结构应力幅值，达到了预期加固效果。

3.3 支座

既有铁路支座主要有板式橡胶支座、盆式橡胶支座和钢支座3种类型。板式橡胶支座多用于小跨度桥梁，存在刚度小、病害多和耐久性差等不足；盆式橡胶支座则容易发生老化、挤出和偏压等病害，而锈蚀、转角超限等则是钢支座容易发生的病害类型。鉴于支座结构的重要性和易损性，对桥梁支座的改造原则是将既有病害支座更换为尺寸更大或性能更优的相同类型或升级类型支座。

既有板式橡胶支座的处理措施主要有2种：一是更换为结构构造和性能更为合理的新型板式橡胶支座，通过提高弹性模量和减小变形来适应重要运输；二是将板式橡胶支座更换为传力更为明确、耐久性更强、可靠性更好的球型支座。对于盆式橡胶支座而言，多采用更换为球型支座的方法来处理。对于大跨度桥梁中常用的摇轴支座和辊轴支座等类型钢支座，多采用更换为圆柱面钢支座或铰轴滑板支座的方式进行强化改造。既有铁路中典型支座更换见图10。

图10 板式支座更换

对某重载铁路50余座将旧板式橡胶支座更换为新型板式支座或球型支座、将旧钢支座更换为球型支座的桥梁进行了更换前后的性能对比试验。现场测试结果表明，球型支座代替板式支座后，支座刚度增加引起的列车对桥梁结构的冲击响应略有增大，但支座位移则显著降低，最大降幅近100%；新型板式支座代替旧板式支座和球型支座代替旧钢支座后，桥梁动力响应与更换前变化不大，部分参数有减小趋势，但支座位移响应得到了明显改善。可以认为，更换后的支座变形更小、耐久性更强，具有更好的重载适应性。

3.4 墩台基础

大轴重运输条件下，既有铁路不同类型墩台基础面临的问题各不相同，但基本都集中在刚度不足、稳定性差、承载能力不足等方面，加固改造的基本原则就是提高承载能力和稳定性，增加横向和纵向刚度，以达到适应重载运输的目的。常见墩台基础面临问题及其处理对策见表2。

某重载铁路对全线不同类型桥墩进行了增大截面和增大基础加固，主要采用外包混凝土或钢板、双柱连接、增补桩基、增大基础等多种加固方式，典型墩台基础加固实例见图11。

表2 常见墩台基础问题及其处理对策

图11 典型墩台基础加固

某铁路对十余座桥墩加固进行了典型桥墩现场加固施工监控和加固前后的性能对比试验。现场实测结果表明，常用的增大截面、增补桩基和加大尺寸等加固方式方法均能较显著地提高基础稳定性和墩身刚度，加固后桥墩横向刚度和基础稳定性都得到大幅提高，桥墩横向振动显著降低，自振频率大幅增大且最大增幅已达到300%及以上，桥墩振动的降低也直接使得桥跨结构振动响应有所改善，具有更好的重载运输适应性。

4 结论

(1)大轴重运输条件下，随轴重增加桥梁结构荷载效应逐渐增大且活载储备量逐渐降低。在25 t及以上轴重荷载作用下，按中-Z和中-活载设计的小跨度梁活载储备量最低达到-23.97%，中等及以上跨度桥梁活载储备量最低达到-13.90%，结构安全储备存在一定程度的不足。从保证结构安全和运营安全的角度出发，需按照ZH活载图式进行强化改造，以适应大轴重运输需求。

(2)大轴重运输条件下，既有铁路桥梁结构面临众多问题，主要体现在小跨度桥梁的强度和稳定性安全储备严重不足、中等以上跨度桥梁的抗裂和抗弯性能偏低、支座性能差且病害严重，下部结构刚度偏弱和稳定性差等方面。针对不同的结构类型和问题，需从抗裂、提高承载能力和正常使用性能等方面入手，针对性进行加固改造。

(3)我国既有铁路桥梁扩能改造实际工程应用成果表明，小跨度梁进行整体置换、中等以上跨度梁进行组合加固或预应力加固、更换和改进支座类型、增补桩基或增大截面加固墩台基础等措施对提高结构承载能力和使用性能具有较好效果，加固改造后的桥梁结构满足大轴重运输需求。