周東

（中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京 210031）

鐵路梁橋存在問題分析及加固措施

周東

（中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京 210031）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、鐵路交通技術(shù)的不斷提高、以及生活節(jié)奏的不斷加快，我國鐵路交通發(fā)展已取得很大進(jìn)步。本文主要針對(duì)既有梁橋在橫向和縱向存在剛度不夠，影響列車運(yùn)行時(shí)的舒適度這一方面來分析說明現(xiàn)有鐵路橋梁病害，并提出改造與加固措施。

鐵路橋梁；病害分析；改造加固

1 鐵路橋梁現(xiàn)狀

鐵路提速到時(shí)速200公里，更加可以加快城際和區(qū)域間交流。提速后的既有鐵路不能滿足需求，甚至出現(xiàn)損耗。特別是鐵路既有橋梁橫向振幅超限，成了鐵路提速的重大障礙。我國鐵路橋梁梁部多采用16、20、24、32m標(biāo)準(zhǔn)孔跨，涵蓋各個(gè)跨度的普高梁、低高度梁及超低高度梁，采用最多的(1000多孔)是24、32m普高梁。該系列梁型為單線鐵路橫向2片T梁形式，此種梁型橫向聯(lián)結(jié)較弱。全線多采用圓端形實(shí)體橋墩，對(duì)于少數(shù)立交橋、線路與河流渠道斜交角度較大的以及位于河灣上水流較復(fù)雜、且填土不高的橋墩則采用鋼筋混凝土圓墩或鋼筋混凝土板式橋墩。墩徑一般 有 1.7、1.8、1.9、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5m 共 8種類型，其中以直徑1.7、1.9、2.1m的圓墩較多，墩高范圍從2～10m不等。基礎(chǔ)形式以鋼筋混凝土鉆孔樁居多，少數(shù)地基條件較好的則采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

2 既有鐵路梁橋存在問題分析及加固措施

2.1 橫向加固

2.1.1 橫向預(yù)應(yīng)力加固

我國鐵路上使用的混凝土橋梁中，20m及以下跨度的無橫向聯(lián)結(jié)，24m以上有橫向聯(lián)結(jié)的，發(fā)現(xiàn)不少橫隔板已斷裂，在鐵路多次提速后，這部分橋梁在行車過程中，不僅截面存在斜彎曲現(xiàn)象，而且兩片梁橫向振動(dòng)有相位差，甚至有反向振動(dòng)現(xiàn)象，影響列車運(yùn)行時(shí)的舒適度，已不能滿足鐵路提速之后的需要。常用的橋梁加固技術(shù)有橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固、增焊主筋法、粘貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)法、增設(shè)輔助構(gòu)件法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法和體外預(yù)應(yīng)力(體外索)法等。針對(duì)主梁性能良好但橫向聯(lián)系薄弱、結(jié)構(gòu)整體性差的橋梁，為保證高速行車的穩(wěn)定性和安全性、提高舒適度、盡量減少因更換橋梁而帶來的經(jīng)濟(jì)損失，在既有混凝土梁上進(jìn)行橫向預(yù)應(yīng)力加固是一種很有效的方法。通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)，改善結(jié)構(gòu)受力性能，使加固后的橋梁能保證列車以最高200km/h能安全通過，同時(shí)改善梁的橫向整體性能，延長使用壽命。這項(xiàng)加固技術(shù)還可應(yīng)用于不同類型、不同跨度的鐵路混凝土橋梁，施工中不影響列車的正常運(yùn)行，施工費(fèi)用較低，可節(jié)省換梁所需的大量資金。并且加固方法簡(jiǎn)單，在不影響列車正常運(yùn)營的情況下進(jìn)行，所需設(shè)備輕型、簡(jiǎn)便，施工單位易于掌握，施工質(zhì)量易于保證。只需在兩片梁間增設(shè)橫隔板共同承受外載，預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在隔板內(nèi)，以減少施加橫向預(yù)應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的主梁腹板彎曲應(yīng)力，避免對(duì)腹板產(chǎn)生不利的影響，同時(shí)有利于預(yù)應(yīng)力筋的防護(hù)。橫隔板與腹板連接處用錨固鋼筋連接，橫隔板的位置與數(shù)量根據(jù)不同梁型、不同跨度而定。20m以下雙片式并置梁一般增設(shè)3塊橫隔板，跨中和兩端各一塊。橫向預(yù)應(yīng)力筋采用強(qiáng)度為1860MPa的無粘結(jié)鋼絞線，由于橫向預(yù)應(yīng)力筋長度僅為2.2m左右，需使用外加螺母的夾片式錨具錨固，保證預(yù)應(yīng)力筋的回縮量控制在2mm以內(nèi)，以免預(yù)應(yīng)力損失過大。

2.1.2 橫向剛度加固

鐵路提速，列車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用增大，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的要求愈加嚴(yán)格。由于橋梁的橫向剛度、抗扭剛度不足，橋墩的橫向剛度不足，橋墩基礎(chǔ)不夠穩(wěn)固，路基病害導(dǎo)致的橋頭線路不平順，橋上線路及軌道的不平順，以及轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)，或者轉(zhuǎn)8A型轉(zhuǎn)向架的橫向擺振等原因，導(dǎo)致部分鐵路橋梁橫向振幅超限，橫向振幅超限。為保證軌道的平順性必須限制橋梁結(jié)構(gòu)的豎向和橫向變形，嚴(yán)格要求橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。因此，為滿足列車提速后對(duì)梁整體穩(wěn)定性和橫向剛度要求，需要進(jìn)行橫向加固。提高橫向剛度的加固方案主要可通過一下幾點(diǎn)進(jìn)行：增加腹板的厚度；橫向單室改為多室；改進(jìn)材料，采用高標(biāo)號(hào)混凝土。增加上翼緣板的厚度；加大腹板的中心距離；加設(shè)橫隔板；豎向單室改為多室。最終確保鐵路既有橋梁的各項(xiàng)指標(biāo)包括橫向振動(dòng)、豎向振動(dòng)、相關(guān)系數(shù)、豎向撓度等明顯低于《檢規(guī)》參考限值，梁的橫向剛度、豎向剛度、整體工作性能良好，并有一定的安全儲(chǔ)備，能夠滿足列車提速后對(duì)梁整體穩(wěn)定性和橫向剛度要求。橋梁的橫向水平和垂直振動(dòng)自振頻率都有所提高，滿足鐵路提速的需求。

2.2 縱向加固

鐵路提速后，對(duì)橋梁縱向力傳遞影響最大的因素有兩個(gè)：一是道床的縱向位移阻力規(guī)律及位移阻力系數(shù)，二是橋梁下部結(jié)構(gòu)的縱向水平剛度(簡(jiǎn)稱下部結(jié)構(gòu)剛度)。本文主要從狹義的角度來研究和論證線橋相互作用關(guān)系，即橋軌之問的連接單元一道床，在傳遞縱向力時(shí)所表現(xiàn)的力學(xué)行為。德國的縱向力傳遞裝置在其高速鐵路橋梁上進(jìn)行了試用，我國的產(chǎn)品處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段;日本、法國和韓國在修建高速鐵路時(shí)也研究設(shè)里了縱向力傳遞裝里。縱向力傳遞裝置所起的主要作用是將短期存在的制動(dòng)和啟動(dòng)荷載傳向橋臺(tái)，而對(duì)溫度引起的位移不起作用。

鐵路提速，列車運(yùn)行引起的縱向力主要包括牽引力和制動(dòng)力，牽引力產(chǎn)生于與粘著重量相關(guān)的動(dòng)輪，列車起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生牽引力，列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生單個(gè)車體的牽引力數(shù)值比單個(gè)車體的制動(dòng)力大，但因只有機(jī)車才有牽引力，故從全列車的總體效應(yīng)看牽引力比制動(dòng)力小。

列車制動(dòng)主要通過輪軌間的摩擦與粘著實(shí)現(xiàn)，按剛體平面運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析。沿鋼軌自由滾動(dòng)的車輪，具有不斷變化的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，車輪和鋼軌的各個(gè)接觸點(diǎn)在它們接觸的瞬間是沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，輪軌之間的縱向水平力就是物理學(xué)上所說的靜摩擦力。影響粘著系數(shù)的因素主要有兩個(gè):一個(gè)是車輪和鋼軌的表面狀況，另一個(gè)是列車運(yùn)行速度。表面狀況包括表面粗糙度、潮濕或干燥、是否生銹、是否清潔等。隨著制動(dòng)過程中列車速度的降低，沖擊和振動(dòng)及伴隨而來的縱向和橫向的少量滑動(dòng)都逐漸減弱，因而粘著系數(shù)逐漸增大。受粘著限制的動(dòng)力制動(dòng)是讓機(jī)車或動(dòng)車的車輪帶動(dòng)其動(dòng)力傳動(dòng)裝置，使它產(chǎn)生逆作用，從而消耗列車動(dòng)能，產(chǎn)生制動(dòng)作用，液力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的液力制動(dòng)，電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車和電動(dòng)車組的電阻制動(dòng)，電力機(jī)車和電動(dòng)車組的再生制動(dòng)等，都屬于動(dòng)力制動(dòng)的范疇。

鐵路橋梁縱向力還受到常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)和運(yùn)行阻力幾方面的影響。常用制動(dòng)是指正常情況下為調(diào)控列車速度或進(jìn)站停車所實(shí)施的制動(dòng)，其作用較緩和，而制動(dòng)力可以調(diào)節(jié)，多數(shù)情況下，只用列車制動(dòng)能力的50%左右。緊急制動(dòng)是指緊急情況下為使列車盡快停住而實(shí)行的制動(dòng)，它不僅用上了列車全部制動(dòng)能力，而且作用比較迅猛。運(yùn)行阻力包括基本運(yùn)行阻力和附加阻力?；咀枇κ橇熊囋谶\(yùn)行中任何情況下都存在的阻力，它包括由軸承摩擦產(chǎn)生的機(jī)車車輛運(yùn)行阻力、車輪在鋼軌上滾動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)車車輛運(yùn)行阻力、車輪與鋼軌的滑動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的機(jī)車車輛運(yùn)行阻力、沖擊和振動(dòng)阻力、空氣阻力。(空氣阻力正比于速度的平方，高速時(shí)，列車基本阻力以空氣阻力為主)，附加阻力是列車在運(yùn)行中個(gè)別情況下存在的阻力，包括坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道附加空氣阻力等。

解決鐵路縱向加固問題，主要從以下兩個(gè)方面展開：加固鐵路結(jié)構(gòu)上的剛度，是提高火車本身性能。比如修改定型設(shè)計(jì)，或者通過對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的合理布置，以提供和提高梁的斜截面強(qiáng)度，以保證各個(gè)截面的正截面強(qiáng)度。確保安全，提高乘客舒適度。由于縱向預(yù)應(yīng)力對(duì)各截面應(yīng)力狀態(tài)的影響程度及其規(guī)律并不完全一致，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予充分重視?？v向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的核心問題，對(duì)既有鐵路橋梁縱向加固，也是需要嚴(yán)肅重視的一個(gè)問題。除了對(duì)各控制截面進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算外，還應(yīng)做好對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布束方案的優(yōu)化和比較。

[1]高建敏，翟婉明，蔡成標(biāo)，提速鐵路橋梁橫向振動(dòng)異常探討及加固技術(shù)，鐵道建筑，2006.

[2]徐學(xué)，既有客貨共線鐵路提速，橋梁相關(guān)技術(shù)對(duì)策，鐵道建筑，2006.

[3]張文敏，彭嵐平，既有線提速鋼桁梁加固設(shè)計(jì)與測(cè)試，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004.