馬 騫

(國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

重載鐵路在運(yùn)能、運(yùn)輸效率及運(yùn)輸成本等方面相比普通鐵路具有明顯優(yōu)勢，因此世界各國均將重載鐵路作為今后發(fā)展的主要方向。我國從1980年代就開始對(duì)重載鐵路技術(shù)研究，使得相關(guān)技術(shù)水平迅速提升。目前在運(yùn)煤線路上25 t軸重載列車已經(jīng)成為主導(dǎo)車型，并且在向27 t和30 t軸重方向發(fā)展。

隨著列車軸重的增大，對(duì)相關(guān)配套設(shè)施提出了更高要求。我國鐵路設(shè)計(jì)經(jīng)過了幾個(gè)階段，每個(gè)階段列車設(shè)計(jì)荷載存在差異，有些階段列車的荷載值偏小，導(dǎo)致這個(gè)時(shí)期設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)不能滿足重載鐵路的要求。為了改善既有橋梁結(jié)構(gòu)受力性能，使其滿足重載鐵路運(yùn)營要求，研究人員對(duì)橋梁加固技術(shù)開展了相關(guān)研究[1-7]：崔建龍等[2]通過在既有涵洞中施加體外預(yù)應(yīng)力，分析了其對(duì)涵洞受力性能的影響。采用體外預(yù)應(yīng)力后，涵洞的最大撓度減小，對(duì)比加固前后的撓度值減小了14%。胡照萇等[3]對(duì)于既有簡支T梁采用截面增大的方式，改善其受力性能，加固后橋梁控制截面撓度校驗(yàn)系數(shù)明顯減小。劉斌等[4]分析了單折線形布置體外預(yù)應(yīng)力對(duì)于橋梁的影響，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)使得組合梁的承載力得到了提高，并符合規(guī)范要求。雒振林等[6]研究粘貼鋼板對(duì)鋼筋混凝土梁力學(xué)性能的影響，研究中分析了有限元ANSYS軟件的可行性，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)值較為一致，表明該方法的可行性。

已有的研究中，研究人員往往只關(guān)注橋梁受力性能的某一方面，因此有必有針對(duì)橋梁的豎向和橫向加固措施進(jìn)行全面分析。

1 碳纖維加固對(duì)橋梁豎向性能影響的數(shù)值模擬與實(shí)測研究

為了明確碳纖維板加固對(duì)不同軸重機(jī)車對(duì)小跨徑(跨徑12 m)T梁的影響，首先，利用數(shù)值模擬的方法得到了加固前主梁豎向性能的分布規(guī)律；其次，利用現(xiàn)場實(shí)測的方式得到了加固后T梁豎向性能的分布特征。

1.1 有限元模型及參數(shù)設(shè)置

為了明確不同軸重機(jī)車對(duì)小跨徑(跨徑12 m)T梁的影響，利用Midas有限元軟件依據(jù)主梁圖號(hào)為專橋(88)1024的參數(shù)，建立了有限元模型，梁體及橫隔板均采用梁單元，自梁端起沿跨徑方向每4 m布置一道橫隔板，整孔共布置4道，有限元模型如圖1所示。

根據(jù)正常運(yùn)營重載鐵路列車速度，考慮了4種工況，列車速度分別為60、65、70和75 km/h，研究了車輛荷載對(duì)T梁撓度、振幅和加速度的影響。

研究中除了考慮車輛的豎向力作用外，還考慮了橫向搖擺力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，研究中對(duì)于橫向搖擺力進(jìn)行了簡化，取列車豎向荷載的1/3為列車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的橫向作用力[8]。列車荷載采用動(dòng)荷載的形式施加在節(jié)點(diǎn)上，通過節(jié)點(diǎn)上z方向的力和y方向的力模擬豎向荷載和橫向搖擺力的影響。動(dòng)荷載時(shí)程函數(shù)為三角形荷載。

圖1 T梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

1.2 碳纖維板加固方案及測點(diǎn)布置

體外預(yù)應(yīng)力加固體系具有強(qiáng)度高、抗疲勞性能好、低松弛、溫度適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，因此分析了此加固措施對(duì)12 m普通高度鋼筋混凝土T梁受力性能的影響。加固中采用的碳纖維板50 mm×3 mm，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彈性模量分別為2 600 MPa和160 GPa，單根碳纖維板張拉控制力設(shè)為225 kN。加固過程中采用兩條50 mm×3 mm的碳纖維板，直線布置在梁底，布置位置見圖2。

圖2 梁底碳纖維板加固位置(單位：cm)

T梁結(jié)構(gòu)跨中位置測點(diǎn)布置如圖3所示。測點(diǎn)布置在第1孔主梁上，動(dòng)撓度的測點(diǎn)布置在T梁跨中底部，振幅和加速度測點(diǎn)布置在翼緣上部。

圖3 T梁測點(diǎn)布置

1.3 對(duì)T梁結(jié)構(gòu)豎向力學(xué)性能影響

1.3.1 對(duì)T梁豎向撓度的影響

T梁加固前后，不同列車荷載作用下T梁結(jié)構(gòu)跨中豎向撓度對(duì)比結(jié)果見表1。

從表1中可知，隨著列車荷載增大，橋梁結(jié)構(gòu)跨中撓度增大，例如加固前C64機(jī)車作用下T梁跨中截面的最大撓度為2.04 mm，而在KM98機(jī)車的作用下，跨中的最大位移為3.07 mm，兩者相比跨中撓

表1 加固前后12 m T梁跨中截面撓度分布規(guī)律

度增大了50.5%，撓度增加十分明顯。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，KM98機(jī)車作用下T梁跨中截面豎向撓跨比為1/3 909，已經(jīng)不能滿足規(guī)范要求(1/4 000)，而中-活載、C80機(jī)車作用下，跨中豎向撓度比雖然滿足要求，但是與通常值較為接近，表明結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備較少。采用碳纖維板加固后，在各類荷載下其撓度均出現(xiàn)減小，例如在KM98機(jī)車作用下(其軸重為30 t)，跨中最大撓度為2.77 mm，相比加固前撓度減小了0.30 mm；跨中豎向撓跨比也減小到1/4 332，與加固前相比撓跨比降低9.8%。T梁加固后測試結(jié)果由之前的不滿足規(guī)范要求變?yōu)闈M足要求，表明該加固措施對(duì)T梁結(jié)構(gòu)豎向剛度具有明顯改善，并使其具有了一定的安全儲(chǔ)備。

1.3.2 對(duì)T梁豎向振幅的影響

T梁加固前后，不同列車荷載對(duì)T梁振幅的影響見表2。由表2可知：①在同種機(jī)車的作用下，隨著機(jī)車運(yùn)行速度的提高豎向振幅逐漸增大，例如在C80機(jī)車的作用下，當(dāng)機(jī)車速度由60 km·h-1提高到75 km/h時(shí)，豎向振幅由1.49 mm增加到1.69 mm，增加了13.4%；②T梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維板加固后，在測試的三種列車荷載作用下，其跨中豎向振幅均出現(xiàn)明顯降低。因此可以認(rèn)為碳纖維板加固對(duì)于改善橋梁的豎向振動(dòng)是十分有效的，振幅最大減小了33.1%。

1.3.3 對(duì)T梁豎向加速度的影響

T梁加固前后，不同列車荷載對(duì)T梁加速度的影響見表2。由表可知：①在同種機(jī)車的作用下，隨著機(jī)車運(yùn)行速度的提高豎向加速度與豎向振幅的變化規(guī)律基本一致，隨著車速的增加跨中加速度逐漸增大。②T梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維板加固后，在測試的三種列車荷載作用下，其跨中豎向加速度明顯降低，降幅最大達(dá)到27.9%。

表2 碳纖維板加固對(duì)T梁豎向振幅、豎向加速度的影響

2 橫隔板橫向加固對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的數(shù)值模擬研究

已有研究表明梁體自振頻率與梁體剛度成正比。梁體的自振頻率與其質(zhì)量分布、組成形式、材料性質(zhì)等參數(shù)密切相關(guān)，因此可以從提高橋梁自振頻率的角度來改善其橫向剛度，因此通過增加橫隔板及增加橫隔板厚度的方式對(duì)其進(jìn)行加固。為了得到最優(yōu)的加固方案，通過有限元軟件Midas建立模型，分析了橫隔板數(shù)量、橫隔板厚度對(duì)其的影響。

2.1 橫向連接剛度的變化

在不改變橫隔板數(shù)量和尺寸情況下，通過改變橫隔板的彈性模量來模擬橫向連接剛度變化。研究中選取了6種彈性模量，分別為3.0×104、1.5×104、1.0×104、0.5×104、0.3×104和0.2×104MPa，隨著橫向連接彈性模量(即連接剛度)的改變，主梁的橫向自振頻率的變化見圖4。由圖4可知，當(dāng)橫向連接彈性模量逐漸增大時(shí)，主梁橫向自振頻率逐漸增大，特別是彈性模量從0.2×104MPa增大到1.5×104MPa時(shí)，主梁的橫向自振頻率提高了29%；當(dāng)橫隔板的彈性模量超過1.5×104MPa后，主梁橫向剛度不再發(fā)生明顯變化。

圖4 橋跨橫向自振頻率隨橫向連接彈性模量變化規(guī)律

2.2 橫隔板厚度的影響

為了明確橫隔板厚度對(duì)主梁自振頻率的影響，在不改變既有橫隔板數(shù)量的情況下，通過改變不同位置的橫隔板的厚度，分析其影響效果。研究中考慮了四種方案：①未加固，跨中和梁端橫隔板的厚度采用原始尺寸；②加固1#橫隔板，增加跨中橫隔板的厚度；③加固2#橫隔板，增加梁端橫隔板的厚度；④1#和2#橫隔板同時(shí)加固，跨中和梁端橫隔板的厚度均增加。橫隔板的編號(hào)如圖5所示。橫隔板厚度改變對(duì)主梁自振頻率的影響結(jié)果如表3所示。由表3中試驗(yàn)結(jié)果可知，增加厚度的橫隔板從0增加到3個(gè)時(shí)，T梁的橫向自振頻率逐漸增大。例如當(dāng)只改變1個(gè)橫隔板厚度時(shí)(即增加跨中橫隔板厚度)，T梁橫向自振頻率只提高了0.5%，改變很小可以忽略。增厚2個(gè)橫隔板(即梁端橫隔板厚度)時(shí)主梁橫向自振頻率提高9.3%，增厚3個(gè)橫隔板時(shí)主梁橫向自振頻率提高10.2%。隨著增加厚度的橫隔板數(shù)量的增大，主梁的豎向自振頻率變化不明顯。

圖5 既有橋梁結(jié)構(gòu)橫隔板分布

2.3 梁端橫隔板厚度的影響

表3 橫隔板加固對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響結(jié)果

為了明確梁端隔板不同厚度對(duì)主梁自振頻率的影響，在不改變既有橫隔板數(shù)量的情況下，分析了梁端橫隔板加固厚度對(duì)主梁自振頻率的變化規(guī)律。兩端橫隔板的初始厚度為460 mm，橫隔板增加的厚度由100 mm遞增至500 mm。橫向自振頻率隨梁端橫隔板加固厚度變化規(guī)律如圖6所示。從圖中可以看出，隨著梁端橫隔板厚度增加主梁橫向自振頻率逐漸增加。例如在初始狀態(tài)下，主梁結(jié)構(gòu)橫向自振頻率為10.93 Hz，梁端橫隔板增加100 mm時(shí)主梁橫向頻率增大為11.58 Hz。隨著端部橫隔板繼續(xù)增厚，橫向自振頻率持續(xù)增大，當(dāng)端隔板增加厚度超過400 mm后，主梁橫向自振頻率不再明顯改變，因此選擇400 mm作為梁端橫隔板的最優(yōu)增加厚度。

圖6 橫向自振頻率隨新增橫隔板加固厚度變化趨勢

2.4 橫隔板數(shù)量的影響

為了明確不同橫隔板數(shù)量對(duì)主梁自振頻率的影響，分析了三種方案：分別為未加固，增加2道橫隔板，增加4道橫隔板，加固方案如圖7所示。由表4中數(shù)據(jù)可知，增加橫隔板數(shù)量后，主梁橫向自振頻率略有增大，增加2道橫隔板后主梁橫向自振頻率最大，因此選擇增加2道橫隔板的加固方法。

圖7 增加橫隔板布置

表4 橫隔板數(shù)量對(duì)主梁自振頻率的影響結(jié)果

3 橫隔板橫向加固對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響的現(xiàn)場實(shí)測研究

3.1 橫隔板方案選取及測點(diǎn)布置

研究結(jié)果表明：跨中橫隔梁厚度改變影響較小，橫隔梁厚度增加400 mm時(shí)可以取得較好的效果。原設(shè)計(jì)方案中，端橫隔板的厚度為460 mm，加固后端橫隔板的厚度為860 mm。原設(shè)計(jì)方案中，距離跨中3 m處未設(shè)置橫隔板，為了確保加固效果，在該處增加了一道厚度為400 mm的橫隔板。為了明確該加固方案的具體效果，將該方案在朔黃鐵路12 m T梁中應(yīng)用，并測試加固前后其力學(xué)性能的變化規(guī)律。T梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測點(diǎn)布置見圖3。測點(diǎn)布置在第1孔主梁上，橫向振幅和加速度測點(diǎn)布置在翼緣上部。

3.2 橫隔板加固對(duì)T梁結(jié)構(gòu)橫向力學(xué)性能影響

3.2.1 橫隔板對(duì)T梁橫向振幅的影響

不同列車荷載下T梁加固前后振動(dòng)特性的分布特性見表5。從表中可以看出，采用加固橫隔板增強(qiáng)T梁橫向連接后，在測試的三種列車荷載作用下，其跨中橫向振幅明顯降低。加固后，在測試的所有工況下，橫向振幅均有明顯降低，降低了40%以上，效果最好的降低了52.0%。

3.2.2 橫隔板加固對(duì)T梁橫向加速度的影響

運(yùn)營列車作用下橋梁加固前后橋跨結(jié)構(gòu)跨中橫向加速度測試結(jié)果見表5。從表中可以看出，采用加固橫隔板增強(qiáng)T梁橫向連接后，在測試的三種列車荷載作用下，其跨中橫向加速度明顯降低。加固后T梁的橫向加速度均降低了20%左右，降低最明顯的降低了28.1%。

4 結(jié)論

(1)隨著機(jī)車軸重的增大，橋梁的撓度、振幅和加速度均出現(xiàn)增大的趨勢。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)行的列車荷載的作用下12 m T梁無法滿足鐵路的運(yùn)行需求。

(2)采用碳纖維板對(duì)12 m T梁加固后，橋梁結(jié)構(gòu)的跨中撓度、豎向振幅、豎向加速度分別降低11.2%、33.1%、27.9%。

表5 橫隔板加固對(duì)T梁橫向振幅、橫向加速度的影響

(3)采用橫隔板對(duì)橋梁橫向加固后，加固后的橋梁結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅降低52.0 %，橫向加速度降低28.1%。