張二田

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350）

重載鐵路運輸因其運能大、效率高而在越來越多的國家推廣應(yīng)用。目前世界上運營的最大軸重車已達40 t，重載貨車的編組一般均在100節(jié)以上，相應(yīng)各國設(shè)計荷載標準比較高［1－2］。與世界發(fā)達國家的大軸重、低密度運營狀態(tài)相比，我國重載鐵路發(fā)展的戰(zhàn)略方向是重載、高速、高密度，這對線路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)要求大大提高。

作為我國西煤東運第二大通道，朔黃鐵路的3．5億t擴能改造，對進一步開發(fā)煤炭資源、提高通道整體運輸效率、促進西部經(jīng)濟發(fā)展有著重要的意義和作用。目前，朔黃鐵路部分列車軸重也已提高到25 t，并且已開行1萬t重載列車，正在試運行2萬t重載列車，年運量由1．96億t向2．34億t發(fā)展。

由于朔黃鐵路既有橋梁的建設(shè)年代跨越范圍較大，設(shè)計、建設(shè)標準不統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)類型多樣，不同橋梁的健康狀態(tài)差異較大，重載運輸引起的橋梁沖擊振動加劇、梁體開裂、橫隔板斷裂等病害的增多，對橋梁的安全運營提出了更高的維護管理要求。因此，迫切需要對重載鐵路橋梁進行狀態(tài)監(jiān)測和安全評價，及時發(fā)現(xiàn)并采取有效措施消除安全隱患，確保重載鐵路的運營安全。

一、重載運輸對鐵路橋涵的影響

（一）重載運輸?shù)暮奢d效率分析

朔黃鐵路多為簡支梁橋，列車豎向靜活載采用“中－活載”（圖1）。目前重載單元列車軸重已提高到25 t（圖2），遠期計劃提高到27 t或30 t。

以簡支梁為例，結(jié)合理論分析和有限元仿真計算可以得知，軸重由21 t（C64）提高到27 t（C80）時，橋梁跨徑小于16 m時，跨中彎矩及梁端剪力的荷載效率系數(shù)存在最大值，并且隨著跨徑增加呈逐漸減小趨勢?？鐝綇?6～24 m時荷載效率隨跨徑呈增加趨勢，增幅不大，跨徑大于24 m后荷載效率系數(shù)隨跨徑增大而增大但增大趨勢緩慢。其中橋梁跨度在8～12 m區(qū)間的荷載效率系數(shù)最大值由0．66增加到1．00，暴露出中小跨徑混凝土橋梁承載能力不足的問題。

圖1 中－活載圖示

圖2 C80車輛圖示（25t軸重）（單位：m）

（二）重載運輸對鐵路橋涵結(jié)構(gòu)的主要影響

1．重載鐵路運輸對梁體的影響

（1）重載運輸列車軸重由21 t提高到25 t以上，豎向荷載增大必然導致橋梁的豎向撓度增大。

（2）列車橫向搖擺力與豎向力成正比關(guān)系，豎向荷載增加，橫向搖擺力增大，導致橋梁橫向振幅過大。

（3）重載運輸列車軸重的增大引起列車制動力也會增大，使橋梁的縱向振動加劇。

（4）雖然鐵路設(shè)計規(guī)范不考慮沖擊力與車速的關(guān)系。但從國內(nèi)外實踐證實，動力系數(shù)值與行車速度有關(guān)。列車速度提高后，不平順的車輪或軌道產(chǎn)生的沖擊力相當可觀，不容忽視。

2．重載鐵路運輸對支座、墩臺、基礎(chǔ)的影響

（1）支座將橋跨結(jié)構(gòu)承受的荷載產(chǎn)生的垂直力及水平力傳遞到墩臺上。隨著列車軸重的增加，支座承受的豎向壓力、列車搖擺力、列車制動力等都會增加，造成支座位移大、轉(zhuǎn)角超限等病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)的伸縮或轉(zhuǎn)動。

（2）隨著列車軸重提高，車速加快，橋梁橫向振動加劇，橋墩承受的動荷載也隨之增大，橋墩承受疲勞作用也越為顯著，影響到橋墩承載能力。

（3）由于受地基、臺背后填土、設(shè)計與施工方案、路橋結(jié)構(gòu)剛度不協(xié)調(diào)等因素影響，橋涵過渡段出現(xiàn)不均勻沉降［3］。

（三）重載鐵路橋涵常見病害

近幾年，綜合大秦鐵路、朔黃鐵路重載運營情況，面對運量逐年增加的局面，橋梁陸續(xù)出現(xiàn)了諸多病害，主要表現(xiàn)為：

（1）小跨度鋼筋混凝土并置梁橫向剛度不足，梁的橫向振動頻率偏小、振幅偏大，行車中出現(xiàn)較大晃動。

（2）跨度8 m的混凝土梁橫向和縱向裂縫現(xiàn)象嚴重，重車線劣化速度加快，動撓度超限。

（3）圓形雙柱、矩形雙柱墩的剛度偏弱，列車作用下發(fā)生較大振幅。

（4）支座出現(xiàn)多種病害，其中搖軸支座的縱向位移偏大超過規(guī)定允許值、定位銷剪斷現(xiàn)象嚴重，弧形支座錨拴折斷情況時有發(fā)生。

（四）朔黃鐵路橋梁維管難題

朔黃鐵路是由神華集團、鐵道部、河北省三方共同出資修建的合資鐵路，合資鐵路在運營和維管過程中難免會存在一些問題：公司組織和運行模式尚處在初級階段，治理結(jié)構(gòu)不完善，需建立長期、合理的運營和維管機制；與大秦線鐵路相比，運輸規(guī)模偏小，需不斷通過提高生產(chǎn)技術(shù)水平，研發(fā)新技術(shù)，持續(xù)創(chuàng)新，為擴能運輸提供有力的技術(shù)支撐；后備人才的培養(yǎng)和儲備尚顯不足，專業(yè)技術(shù)人員缺失，需通過與高校合作，分期分批進行理論學習，并聘請專家到公司講授橋梁知識，了解當前重載鐵路橋梁維管的先進技術(shù)及發(fā)展趨勢。

二、朔黃鐵路橋梁的維管對策

朔黃鐵路沿途地址條件復雜，橋梁結(jié)構(gòu)類型多樣，僅朔黃鐵路肅寧分公司管內(nèi)的123#～291#橋，橋梁類型就達十幾種，總計1 860孔，其中20 m跨徑以下的橋梁達553孔，占總量的30%，該類橋梁的檢查與檢測、安全狀態(tài)評估、快速維修加固成為重載運輸條件下橋梁科學維管的重中之重。

橋梁設(shè)備維修管理模式遵循橋梁設(shè)備維修以勤檢慎修、邊檢邊修的維修理念，明確設(shè)備的檢查維修制度。對橋梁設(shè)備要有專門的定員進行檢查，對橋梁重點部位，特別是重載對橋梁造成的傷害，例如支座螺栓剪斷、支座位移或轉(zhuǎn)角超限、梁端頂死等重點病害進行排查摸底，建立設(shè)備病害管理臺賬。對橋梁設(shè)備各部位根據(jù)鐵道部《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》［4］進行設(shè)備狀態(tài)靜態(tài)評定，評出圬工橋梁劣化等級AA級、A級、B級、C級。根據(jù)設(shè)備劣化等級確定設(shè)備大修、綜合維修及保養(yǎng)工作。橋梁養(yǎng)護人員應(yīng)對管內(nèi)橋梁設(shè)備的整體狀態(tài)進行匯總分析，編制橋梁設(shè)備年度檢查計劃、月度保養(yǎng)計劃、生產(chǎn)日計劃及設(shè)備大修年度計劃。并由專人負責盯控實施。加強設(shè)備的動態(tài)檢查，通過測定橋梁的自振頻率及圬工梁的撓度變化，掌握設(shè)備狀態(tài)變化規(guī)律。同時開展各種形式的安全管理及設(shè)備安全隱患大檢查活動，結(jié)合日常設(shè)備動靜態(tài)檢查及季節(jié)性檢查，相互補充相互強化，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)變化，從而采取相應(yīng)的防護加固措施，確保橋梁設(shè)備的安全，保證正常的行車安全。

（一）完善橋梁檢查制度

橋梁檢查主要是對橋梁技術(shù)狀況的調(diào)查，即橋梁缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴重程度及發(fā)展趨勢，找出產(chǎn)生缺陷和損傷的主要原因，分析和評價其對橋梁使用承載能力的影響，為橋梁維修和加固設(shè)計提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)［5］。檢查制度包括：經(jīng)常檢查、定期檢查、專項檢查和檢測試驗等，根據(jù)《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》相關(guān)規(guī)定和朔黃鐵路橋梁的實際情況，制定橋梁檢查的標準化規(guī)程，橋梁維護管理部門嚴格按照標準化規(guī)程作業(yè)。

根據(jù)橋梁檢查目的需安排不同的專業(yè)人員。經(jīng)常檢查可由橋梁領(lǐng)工員帶隊組織實施，定期檢查需由橋工隊隊長帶隊組織實施，專項檢查和檢測試驗則應(yīng)聘請橋梁專家和具有專業(yè)資質(zhì)的機構(gòu)來進行。橋梁檢查人員要客觀認真填寫橋梁記錄表，建立橋梁資料檔案庫，對于每次檢查的結(jié)果及時錄入檔案庫，并與以往數(shù)據(jù)進行分析對比，掌握病害的發(fā)展趨勢，對存在安全隱患的橋梁要立即上報，并組織相關(guān)專家進行檢測試驗，根據(jù)檢測試驗結(jié)果制定相關(guān)的維修養(yǎng)護措施。

為應(yīng)對2萬t擴能運營，2012年六七月，朔黃鐵路肅寧分公司對管內(nèi)的近2 000孔橋梁進行了全面分析，根據(jù)橋梁類型、跨徑形式重點選取23座典型橋梁進行了全面檢查與綜合評定，建立了橋梁運營狀態(tài)檔案，對中等以上劣化橋梁（占總量14%）制定了進一步的監(jiān)測周期；對病害較為嚴重的244#橋采取裂縫灌封、混凝土剝離補修、梁端橫向限位等整治措施，及時消除了安全隱患，避免了橋梁運營狀態(tài)的惡化。

（二）橋梁安全狀態(tài)評估

為及時掌握橋梁安全運營狀況，應(yīng)根據(jù)橋梁檢查結(jié)果，對橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行評估，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的安全評估和預警預報。橋梁安全狀態(tài)評估主要采取以下三種方法：

（1）基于外觀調(diào)查進行狀態(tài)評估。根據(jù)經(jīng)常檢查和定期檢查的結(jié)果，基于橋梁結(jié)構(gòu)的表觀缺損情況，對其劣化等級進行評定?；谕庥^調(diào)查進行狀態(tài)評估主要依據(jù)工程技術(shù)人員的經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)進行評分，根據(jù)評分結(jié)果劃分橋梁的技術(shù)狀況等級，并制定病害整治方案。

（2）基于荷載試驗進行狀態(tài)評估?；诤奢d試驗進行狀態(tài)評估主要是通過運營性能試驗或者靜動載試驗確定《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［6］中各控制參數(shù)的實測值，并與理論值進行對比，對橋梁的運營狀況進行評定。根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)和朔黃鐵路運營特點分析橋梁各控制參數(shù)的規(guī)律，制定出適合于朔黃鐵路橋梁的控制參數(shù)限值。一旦超限，及時發(fā)出預警，并立即上報責任部門，采取措施。

（3）長期健康監(jiān)測系統(tǒng)。對于大型橋梁和病害嚴重的橋梁，可采用長期健康監(jiān)測系統(tǒng)。長期健康監(jiān)測系統(tǒng)運用現(xiàn)代傳感和通信技術(shù)，對橋梁結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況的各種信息，并最終判定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)與可靠性。通過對不同類型的橋梁建立相應(yīng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時掌握橋梁的健康狀況，對運營狀況異常的橋梁提出預警預報，及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。

近年來，朔黃鐵路對管內(nèi)的重點橋梁進行了大量的運營性能檢測與評估，特別是針對既有病害限速橋梁，采取橋梁橫向加固、更換新型單元列車轉(zhuǎn)向架等技術(shù)手段，經(jīng)過整治前后的反復測試與狀態(tài)評估，馬圈特大橋、劉家溝中橋、陳圩河中橋等橋梁順利取消限速，恢復線路正常運營速度80 km／h，簡化了調(diào)度管理程序，有效提高了運輸效率和經(jīng)濟效益。

（三）快速維修加固

鐵路橋梁一旦出現(xiàn)病害，需采取快速維修加固措施，以快速恢復線路通行。出現(xiàn)輕微病害的橋梁，通過正常養(yǎng)護維修能得到快速有效的處理，而對于嚴重病害的橋梁則必須針對病害原因制定專門的加固方案。

橋梁加固的形式是多樣的，如增大截面及配筋加固法、體外預應(yīng)力加固法、黏貼鋼板加固法、黏貼碳纖維加固法等。在制定加固方案時，施工的快捷方便是首要考慮因素。現(xiàn)階段橋梁加固技術(shù)應(yīng)用面臨的最大難題是加固設(shè)計和施工的脫節(jié)，在設(shè)計與施工沖突時，以快速施工和盡量減少橋涵改造工程量為原則，采取及時、有效的措施。

為應(yīng)對擴能運輸?shù)囊?，朔黃鐵路公司聯(lián)合中鐵設(shè)計院相關(guān)單位，考慮主梁和橋墩的相互影響，以梁墩體系整體考慮橋梁振動的影響，進行了橋梁加固設(shè)計與施工技術(shù)的研發(fā)，研究表明，與單獨增加梁體橫向剛度相比，增強橋墩的橫向剛度較為有效，以蘆溝特大橋為例，對下行單圓柱墩增大墩體截面和上下行雙T梁梁體橫向預應(yīng)力加強整體性后，在同荷載同速度的列車激勵下，加固后的橋墩墩頂橫向最大振幅平均降到加固前的52%；在同荷載同速度的列車激勵下，梁跨中的最大橫向振幅平均降到加固前的74%；梁墩體系的橫向固有自振頻率平均提高了40%。通過近年來對該成果的應(yīng)用，全線減少影響行車157對，既提高了列車的運營效率，又提高了橋梁的使用壽命，保證了橋梁的安全運營。

（四）加強維修質(zhì)量驗收

橋梁維護人員在進行任何保養(yǎng)維修及大修活動時，都要嚴格按照設(shè)計圖紙和技術(shù)標準，每日的維修保養(yǎng)作業(yè)施工完畢后要由施工負責人進行質(zhì)量回檢、簽字驗收。大修施工要嚴格執(zhí)行《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》的規(guī)定，使用的材料及機具應(yīng)提供材質(zhì)說明書和合格證，并按有關(guān)規(guī)定進行檢驗。大修施工的施工日志要填寫清楚每日的施工內(nèi)容、安全、質(zhì)量及施工中存在的問題。對部分隱蔽施工、關(guān)鍵程序必須要有監(jiān)理和監(jiān)護，施工要有監(jiān)理、現(xiàn)場監(jiān)護及施工單位三方簽字確認合格后方可繼續(xù)施工。

圖3 橋梁安全運營保障體系

三、結(jié)語

隨著朔黃鐵路擴能改造的快速發(fā)展，25 t軸重的2萬t牽引列車運營在即，重載運輸對橋梁的安全運營要求也越來越高。只有建立集檢查檢測、評估與快速維修加固一體化的橋梁安全運營保障體系（圖3），提出橋梁科學維管的對策，盡快完成橋梁的全面普檢與定期評估，實時掌握橋梁的運營狀態(tài)，結(jié)合有效的病害整治措施，才能做到橋梁的科學維護管理，確保運營安全。

［1］王麗，張玉玲．新建重載鐵路橋梁設(shè)計荷載標準的研究［J］．土木工程學報，2013，46（3）：103－109．

［2］錢立新．世界鐵路重載運輸技術(shù)的最新進展［J］．世界軌道交通，2007（12）：20－23．

［3］宋緒國，葉朝良，蘇達．朔黃重載鐵路路基病害的分類及其成災(zāi)機理研究［J］．石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2013，26（1）：61－66．

［4］中華人民共和國鐵道部．鐵運 ［2010］38號 鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則．北京：中國鐵道出版社，2010．

［5］張云．鋼筋混凝土中小型橋梁安全運營養(yǎng)護管理措施探討［J］．上海公路，2007（3）：41－45．

［6］中華人民共和國鐵道部．鐵運涵［2004］120鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］．北京：中國鐵道出版社，2004．