神华准格尔能源有限责任公司大准铁路公司 内蒙古准格尔旗 010300
摘要：我国重载铁路既有桥梁设计以中一活荷载为主，早期按照老标准和老规范设计建造的桥梁，随着运营年数的增加，主要部分出现了不同程度的病害，结合重载铁路的特点，扩能改造后的桥梁状态需要定期进检测，不满足规范要求的需进行加固，采用常用的方式加固能否有效解决重载铁路既有混凝土桥梁存的问题，成为摆在科研人员和企业技术人员面前的现实问题。
本文选取了大准铁路比较典型的青羊岭中桥作为研究对象。通过当前国内较先进的Dasp桥梁动态测试系统对两座进行进了振幅、挠度、自振频率、横向加速度等指标的检测，通过对检测结果分析，确定青羊岭中桥梁跨中最大横向加速度超限和3#梁存在竖向裂缝，表明这座桥需进行加固。同时针对青羊岭中桥3#梁存在竖向裂缝的情况，使用FLAC3D进行了病害机理有限元分析，分析结果显示，桥梁裂缝检测很难通过挠度检测来发现。
最后通过对加固前后判定桥梁病害的关键检测数据进行对比分析，从分析结果来看，文中选定的三种加固方案对于解决重载铁路既有混凝土桥墩横向刚度和横向自振频率偏小造成横向振幅超限、主梁横向加速度不满足要求和控制梁体竖向裂纹发展的效果明显。同时通过加固工程取得的实效也可以看出，常用的桥梁加固方式在重载铁路上效果同样显著。
关键词：重载铁路；桥梁检测；改变结构体系法；粘贴碳纤维布
1引言
重载铁路成为世界铁路建设的方向，因其运输能力强、运输成本低等特点，受到世界各国铁路行业的广泛关注。在欧美、南非等矿产资源运输比重大的国家，重载铁路发展速度迅速[1]。重载铁路运输在我国发展较晚。在规模、运输量、运输组织上，与欧美一些大等国相比，均有很大差距[2]。但是从二十世纪九十年代以来，铁路重载化运输进入了一个新的发展期，已在重点干线大秦线上组织开行了煤炭运输的万吨列车。在随后的十年间，又在京沪、京广、陇 海等主要干线上相继开行了重载列车，并将重载列车的开行范围逐步扩大，特别是神华集团煤炭运输专用铁路运营以来，大准铁路首先开行万吨列车，朔黄、神朔、包神等运量都超过了亿吨大关，近年来神华集团又相继建成甘泉、准池、新准三条重载运煤铁路专线，重载铁路为我国煤炭运输提供了良好的发展模式。
大准铁路是国家“八五”计划重点建设项目“准格尔项目一期工程”三大主体工程之一，东起山西省大同市，西至内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾，正线全长265.263 公里。铁路地处丘陵与山岳区域，全线共有桥梁163座（既有线99座）。2006年第一列万吨单元列车成功开行，成为大准铁路成功迈向重载运输的历史转折点，随之运量和周转量也有了质的提高，年货物运量由1995年的68万吨增加到2015年的1.1亿吨，增长了162倍，换算周转量由1995年的1.5亿吨公里增加到2015年的257.5亿吨公里，增长了近172倍。近年来，随着重载货物列车开行，给既有线铁路桥梁的安全使用构成威胁，早期按照老标准和老规范设计建造的桥梁，随着运营年数的增加，主要部分出现了不同程度的病害，如裂缝、错位、沉降、支座偏压、桥墩横向振幅超限等。通过对既有线进行检测和分析，了解各部位损坏程度，制定合理的整治加固方案，保证铁路运输的安全可靠。[2] [3]
2本文研究的意义和内容
2.1研究的意义
本文以神华大准铁路既有桥梁强化改造为背景，基于既有的重载铁路桥梁监测技术，从重载铁路桥梁检测数据结果着手，确定桥梁的病害形式，选择适合大准重载运煤专线的加固方法，通过对加固前后桥梁检测数据进行对比，从而验证常用的桥梁加固方式在重载铁路桥梁固中的实效。该线共有既有桥梁97座，其中86座存在不同程度及种类的病害，自2003年开始陆续对梁体裂缝，支座偏压，地基承载力不足，墩台、梁体横向振幅超限等病害进行整治。本文重点选取了弓坝河大桥和青羊岭中桥两座桥梁作为研究对象，把桥梁检测和桥梁加固成功的融合在一起进行分析，从工程实例中获得数据，进而为重载铁路桥梁维修养护提供可靠依据。
2.2研究的内容
(1)基于DASP桥梁动态测试系统，对选定的桥梁进行检测，通过检测分析结果来确保桥梁的病害情况。
(2)采用三维有限元FLAC3D由底向上进行三维实体建模。了解混凝土T梁跨中各点的挠度受裂缝的影响，从而判断在静载作用下桥梁结构的实际工作状态和安全承载能力。
(3)根据桥梁检测结果，选取两种典型的病害，然后选定合适的加固方案对选定的桥梁进行加固，采用改变结构体系法和粘贴碳纤维布加固法，对于解决主梁横向加速度不满足要求和防止裂纹发展的效果。
(4)通过将桥梁检测和桥梁加固方法结合到一起分析，重点要通过工程实例数据来验证常用的桥梁加固方法对于重载铁路桥梁加固的适用性，并在文章最后给出了相关的结论和建议。
3.桥梁加固前检测及病害分析
3.1 检测依据
本次测试数据评判主要依据铁运函[2004]120号《铁路桥梁检定规范》[4]（以下简称《桥梁规》）指出铁路桥梁运营性能有两种判别值：
行车安全限值：保证列车以规定的速度安全通过，桥梁结构必须满足的限值，超过此值，应即采取必要的措施。
通常值：合格桥梁在正常运营中实测值的上限（挠度、振幅）、下限（频率）或均值（结构校验系数）。铁路桥梁在运营过程中，如超过此值，应仔细检查桥梁结构是否存在隐藏的伤害，同时调查列车曾否产生激励。
3.2评判标准
(1)梁体跨中横向振幅：a. 行车安全限值：预应力钢筋混凝土梁L/9000；b. 货列重车通常值(v≤80km/h)：L/7.0B (mm)。
(2)梁体竖向挠跨比通常值：预应力混凝土梁：低高度：1/1300，普通高度：1/1800；钢筋混凝土梁：低高度：1/1900，普通高度：1/4000。
(3)墩顶横向振幅通常值：由于分类和公式较为复杂，此处从略，详见《桥检规》表10.0.7-(1、2、3)。
3.3检测仪器和数据处理方法
为了保证测试的准确性，需要对主要的测试传感器进行标定。对振动波形应进行下列分析：
(1)桥梁振动时域波形的判读:对预检后的桥梁振动时域波形样本进行判读，目视检查或结合频谱分析，确认结构的各种特征频率。
(2)桥梁振幅: a. 振幅可由基线两侧基本对称的振动波形中任一方向的单峰值得出。b. 振幅由基线两侧不对称的振动波形较大的单峰值得出。注意波形必须是经过预检，去掉奇异项，修正零线飘移、趋势等误差，并经正确滤波后确认非失真的波形。
3.4 青羊岭中桥加固前检测及病害分析
青羊岭中桥全长48.46m的单线桥（见图3.1）。孔跨式样：5-8m低高度混凝土梁+2-6m框构桥，测试孔跨为第3、4孔8m低高度预应力混凝土梁，梁图号为专桥（88）1024，梁体进行过横向预应力加固；采用板式橡胶支座，支座中心距为1.8m，有横向限位装置，无防落梁装置。桥上线路为60kg/m无缝线路钢轨，坡度-1‰，线路无偏心，轨下枕底道砟厚度为34cm。测试2#、3#、4#桥墩，桥墩均为圆端形桥墩，桥墩基础均为扩大基础，地基土为卵石土，2#、3#、4#墩高均为3.67m，墩全高均为4.67m，桥墩平均横向宽度均为3.00m。
图.3.1 青羊岭中桥实景图
通过对青羊岭中桥的静、动载试验，得出如下主要结论：
(1)实测试验最大静荷载作用下扣除橡胶支座竖向位移后的第3孔跨中挠度为1.96mm，且左、右片梁实测挠度差别不大，说明两片梁体受力均匀；理论计算挠度值为2.73mm，挠度的结构校验系数为0.72，在《桥检规》预应力混凝土梁挠度结构校验系数0.70~0.80通常值范围内；试验荷载卸载后梁体跨中挠度波形图无明显零线飘移现象，跨中试验弯矩与实测跨中挠度基本呈线性关系，说明梁体在线弹性范围工作。
(2)实测试验最大静荷载作用下扣除橡胶支座竖向位移后的第3孔梁体跨中挠度换算到中-活载作用下的挠度为2.08mm，换算中-活载作用下的挠跨比为1/3846，在《桥检规》通常1/1900范围内。
(3)实测梁体最大下翼缘应变为145.7με，理论计算值为159.9με，预应力混凝土梁体翼缘应变校验系数为0.91，在《桥检规》预应力混凝土梁混凝土翼缘应力结构校验系数0.90~1.00通常值范围内。实测第3孔左、右片混凝土梁中性轴位置距梁体下翼缘分别为38.45cm、36.27cm，与理论计算的中性轴位置38.46cm基本一致；试验荷载作用下梁体跨中截面的应变分布符合平截面假定，梁体在线弹性范围内工作。
(4)实测第3、4孔梁体横向自振频率分别为22.15Hz、23.13Hz，均在《桥检规》梁体横向自振频率通常值11.25Hz范围内。
(5)第3、4孔梁体跨中横向振幅最大值在运营空车货列作用下分别为0.21mm、0.20mm，均小于《桥检规》跨中横向振幅行车安全限值0.89mm，跨中横向振幅最大值在运营重车货列作用下分别为0.51mm、0.47mm，均小于《桥检规》货列重车通常值0.63mm（v≤80km/h）、跨中横向振幅行车安全限值0.89 mm。
(6)2#、3#、4#墩顶横向振幅最大值在运营空车货列作用下分别为0.03mm、0.04mm、0.05mm，均在《桥检规》2#、3#、4#墩顶横向振幅通常值的范围内；2#、3#、4#墩顶横向振幅最大值在运营货列重车作用下分别为0.04mm、0.05mm、0.10mm，均在《桥检规》2#、3#、4#墩顶横向振幅通常值0.59mm（v>60km/h）、0.59mm（v>60km/h）、0.59mm（v>60km/h）通常值范围内。
(7)实测货列空车作用下左、右片梁挠度动力系数最大值分别为1.10、1.11；实测货列重车作用下左、右片梁挠度动力系数最大值分别为1.11、1.14；均小于该梁的设计动力系数1.32。
(8)实测货列空车作用下第3孔梁跨中最大横向加速度为2.10m/s2；实测货列重车作用下跨中最大横向加速度为1.98m/s2，不满足《桥检规》梁体横向加速度不应超过1.4m/s2的要求。
(9)运营货列空车作用下，3#墩顶横向支座位移最大值分别为0.16mm，运营货列重车作用下，3#墩顶横向支座位移最大值分别为0.49mm，满足《桥检规》支座横向位移不应超过±2mm的要求。
(10)第3孔梁左、右片梁在恒载作用下上翼缘有5条宽度为0.20~0.50mm的竖向裂缝，不满足《桥检规》不允许出现竖向裂缝的限值；2#、3#墩在恒载作用下墩身没有明显裂缝。
3.5桥梁裂缝病害隐患机理分析
针对桥梁竖向裂缝的典型桥梁病害，建立有限元数值计算分析模型对桥梁病害力学机理进行探索分析。由于桥梁使用过程中出现最多，影响比较严重的病害是裂缝病害。本文通过对桥梁裂纹的模拟来判断桥梁的现有状况，为工程实践提供依据。
3.5.1分析模型
青羊岭中桥为混凝土T梁，采用三维有限元FLAC3D由底向上进行三维实体建模。了解混凝土T梁跨中各点的挠度受裂缝的影响，从而判断在静载作用下桥梁结构的实际工作状态和安全承载能力。
本次计算模型如图3.2所示。
3.5.3分析结果
裂缝深度相同时，T梁挠度差值在裂缝位置处最大；裂缝深度不同时，裂缝越深对梁的挠度影响最大。
在对相同外荷载作用下梁底应变的数值进行差值处理时，要根据数值模拟所计算的结果来提取。即将无裂缝T梁梁底应变减去开裂情形下的T梁梁底应变，以观察裂缝存在对梁底应变的影响。同一裂缝在相同的伤损位置和相同的荷载工况下的深度值越大，梁底的应变值越小；梁体在同一裂缝深度位置处的应变值最小。
裂缝对应变影响区域在相同的裂缝位置随缝深增大而增大，但缝深度增大到某一值后，应变影响范围基本保持不变；裂缝对应变影响范围在缝深相同时，基本与裂缝在梁体上的位置无关。可能因为受到梁体两端支撑的影响，梁体两端裂缝对应变影响范围略小于梁体跨中位置。
4桥梁加固方案的选择及实施
4.1加固方案的选择
根据青羊岭中桥加固前检测结果，确定青羊岭中桥主梁横向加速度超过《桥检规》梁体横向加速度1.4m/s2的要求。第3孔梁左右片梁在恒载作用下，上翼缘有5条宽度为0.2～0.5mm的竖向裂缝，不满足《桥检规》不允许出现竖向裂纹的限制，采用改变结构体系法和粘贴碳纤维布加固法，对全桥低高度预应力混凝主梁增设横向连接。对裂缝采用化学压浆的方式进行处理，外贴碳纤维布控制裂纹的发展。
4.2加固所用材料
(1)钢筋，Φ10钢筋为HPB235钢筋；Φ12、Φ16为HRB335级钢筋。
(2)植筋用胶粘剂
(3)碳纤维布为C300，设计强度不小于3400MPa，厚度0.167mm。
(4)混凝采用C40自流平混凝土。
4.3主要施工工艺
该桥加固工艺流程顺序为：主梁横向加固 裂缝压浆 外贴碳纤维布。
(1)主梁横向加固
本次主梁加固是在原的横隔板的基础上增加两处横向联接，共增设横向联接10处，具体见图4.1
5.3加固前、后梁体横向自振频率对比
加固前实测第3、4孔梁体横向自振频率分别为22.15Hz、23.13Hz，加固后实测第3～4孔梁体横向自振频率均为21.48 Hz，加固前后自振频率基本接近且均在《桥检规》通常值11.25Hz范围内。
5.4加固前、后梁体裂缝情况
由模拟可以得知，挠度差值并不能成为寻找结构裂缝位置的一个有效参数。所以在梁加固后当前没能找到一种有效的检验办法，通过加固后现场检查，梁体裂缝加固后得到有效的控制。
羊岭中桥加固前后的梁体跨中横向振幅、体横向自振频率、梁体跨中横向加速度等判定病害的关键参数进行对比，从对比的结果来看，选定的改变结构体系法和粘贴碳纤维布法两种加固方案，对于解决重载铁路既有混凝土桥主梁横向加速度不满足要求和控制梁体竖向裂纹的发展效果明显。
6结论
本文在对大准铁路既有混凝土桥梁检测结果和常见病进行机理分析的基础上，采用改变结构体系法和粘贴碳纤维布加固法对桥墩和梁体进行加固，并对固前后采用相同方法、相同原理的检测结果进行对比分析，主要得出以下几个结论：
(1)通过对大准铁路既有桥梁进行动静态检测，通过对检测数据分析，最终青羊岭中桥存在梁跨中最大横向加速度超限和竖向裂缝的病害，需要进行加固处理。
(2) 通过对桥梁检测发现的两种病害进行分析，桥梁设计标准低、结构老化、列车轴重提高、运能增加是造成大准铁路桥梁病害发生的主要原因。
(3) 通过FLAC3D数值模拟研究了简支梁上裂缝对梁挠度、应变的影响，对于承受外荷载作用的简支梁，挠度差值并不能成为寻找结构裂缝位置的一个有效参数，但裂缝对应变影响区域的大小与裂缝深度处于同一数量级或大一个数量级。所以桥梁常见病害的检查不能单纯依靠检测仪器，更要加强桥梁的人工检查来发现桥梁裂缝病害。
(4) 采用改变结构体系法和粘贴碳纤维布加固法，对全桥低高度预应力混凝主梁增设横向连接和外贴碳纤维布，对于解决主梁横向加速度不满足要求和防止裂纹发展效果显著。
(5)通过选定大准铁路既有混凝土桥梁加固及加固前后桥梁检测数据的对比分析，以及大准现其它桥梁加固的大量工程实例，可以肯定，常见的桥梁加固方案对于解决重载铁路桥梁加固方面同样适用，且效果明显。
参考文献
[1] 胡国华.山西中南部铁路通道重载连续梁设计[J].铁道勘察,2012,(03):63-67.
[2] 向爱兵.世界铁路运输发展现状及趋势展望[J].中国市场,2012,(49):85-86+130.
[3] 康熊,宣言.我国重载铁路技术发展趋势[J].中国铁路,2013,(06)6-10.
[4] 刘强.重载铁路桥梁加固方法研究[D].湖南：中南大学,2013.
[5] 中华人民共和国铁道部.桥梁检定规范[S].北京：中国铁道出版社,2004．
论文作者:岳学峰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/14
标签：桥梁论文; 横向论文; 裂缝论文; 挠度论文; 铁路论文; 病害论文; 振幅论文; 《基层建设》2017年第13期论文;