重載鐵路小跨徑T梁加固數值分析與試驗研究

馬 騫

(國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北 肅寧 062350)

重載鐵路在運能、運輸效率及運輸成本等方面相比普通鐵路具有明顯優勢，因此世界各國均將重載鐵路作為今后發展的主要方向。我國從1980年代就開始對重載鐵路技術研究，使得相關技術水平迅速提升。目前在運煤線路上25 t軸重載列車已經成為主導車型，并且在向27 t和30 t軸重方向發展。

隨著列車軸重的增大，對相關配套設施提出了更高要求。我國鐵路設計經過了幾個階段，每個階段列車設計荷載存在差異，有些階段列車的荷載值偏小，導致這個時期設計的橋梁結構不能滿足重載鐵路的要求。為了改善既有橋梁結構受力性能，使其滿足重載鐵路運營要求，研究人員對橋梁加固技術開展了相關研究[1-7]：崔建龍等[2]通過在既有涵洞中施加體外預應力，分析了其對涵洞受力性能的影響。采用體外預應力后，涵洞的最大撓度減小，對比加固前后的撓度值減小了14%。胡照萇等[3]對于既有簡支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系數明顯減小。劉斌等[4]分析了單折線形布置體外預應力對于橋梁的影響，體外預應力加固技術使得組合梁的承載力得到了提高，并符合規范要求。雒振林等[6]研究粘貼鋼板對鋼筋混凝土梁力學性能的影響，研究中分析了有限元ANSYS軟件的可行性，數值模擬的結果與試驗值較為一致，表明該方法的可行性。

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

1 碳纖維加固對橋梁豎向性能影響的數值模擬與實測研究

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

1.1 有限元模型及參數設置

為了明確不同軸重機車對小跨徑(跨徑12 m)T梁的影響，利用Midas有限元軟件依據主梁圖號為專橋(88)1024的參數，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。

根據正常運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橋梁結構的影響，研究中對于橫向搖擺力進行了簡化，取列車豎向荷載的1/3為列車對橋梁結構的橫向作用力[8]。列車荷載采用動荷載的形式施加在節點上，通過節點上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。動荷載時程函數為三角形荷載。

圖1 T梁結構有限元計算模型

1.2 碳纖維板加固方案及測點布置

體外預應力加固體系具有強度高、抗疲勞性能好、低松弛、溫度適應性良好等優點，因此分析了此加固措施對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，其設計強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梁結構跨中位置測點布置如圖3所示。測點布置在第1孔主梁上，動撓度的測點布置在T梁跨中底部，振幅和加速度測點布置在翼緣上部。

圖3 T梁測點布置

1.3 對T梁結構豎向力學性能影響

1.3.1 對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梁結構跨中豎向撓度對比結果見表1。

從表1中可知，隨著列車荷載增大，橋梁結構跨中撓度增大，例如加固前C64機車作用下T梁跨中截面的最大撓度為2.04 mm，而在KM98機車的作用下，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律

度增大了50.5%，撓度增加十分明顯。同時也發現，KM98機車作用下T梁跨中截面豎向撓跨比為1/3 909，已經不能滿足規范要求(1/4 000)，而中-活載、C80機車作用下，跨中豎向撓度比雖然滿足要求，但是與通常值較為接近，表明結構的安全儲備較少。采用碳纖維板加固后，在各類荷載下其撓度均出現減小，例如在KM98機車作用下(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梁加固后測試結果由之前的不滿足規范要求變為滿足要求，表明該加固措施對T梁結構豎向剛度具有明顯改善，并使其具有了一定的安全儲備。

1.3.2 對T梁豎向振幅的影響

T梁加固前后，不同列車荷載對T梁振幅的影響見表2。由表2可知：①在同種機車的作用下，隨著機車運行速度的提高豎向振幅逐漸增大，例如在C80機車的作用下，當機車速度由60 km·h-1提高到75 km/h時，豎向振幅由1.49 mm增加到1.69 mm，增加了13.4%；②T梁結構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明顯降低。因此可以認為碳纖維板加固對于改善橋梁的豎向振動是十分有效的，振幅最大減小了33.1%。

1.3.3 對T梁豎向加速度的影響

T梁加固前后，不同列車荷載對T梁加速度的影響見表2。由表可知：①在同種機車的作用下，隨著機車運行速度的提高豎向加速度與豎向振幅的變化規律基本一致，隨著車速的增加跨中加速度逐漸增大。②T梁結構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，降幅最大達到27.9%。

表2 碳纖維板加固對T梁豎向振幅、豎向加速度的影響

2 橫隔板橫向加固對橋梁結構力學性能影響的數值模擬研究

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量分布、組成形式、材料性質等參數密切相關，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其進行加固。為了得到最優的加固方案，通過有限元軟件Midas建立模型，分析了橫隔板數量、橫隔板厚度對其的影響。

2.1 橫向連接剛度的變化

在不改變橫隔板數量和尺寸情況下，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，當橫向連接彈性模量逐漸增大時，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，主梁的橫向自振頻率提高了29%；當橫隔板的彈性模量超過1.5×104MPa后，主梁橫向剛度不再發生明顯變化。

圖4 橋跨橫向自振頻率隨橫向連接彈性模量變化規律

2.2 橫隔板厚度的影響

為了明確橫隔板厚度對主梁自振頻率的影響，在不改變既有橫隔板數量的情況下，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#橫隔板同時加固，跨中和梁端橫隔板的厚度均增加。橫隔板的編號如圖5所示。橫隔板厚度改變對主梁自振頻率的影響結果如表3所示。由表3中試驗結果可知，增加厚度的橫隔板從0增加到3個時，T梁的橫向自振頻率逐漸增大。例如當只改變1個橫隔板厚度時(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個橫隔板(即梁端橫隔板厚度)時主梁橫向自振頻率提高9.3%，增厚3個橫隔板時主梁橫向自振頻率提高10.2%。隨著增加厚度的橫隔板數量的增大，主梁的豎向自振頻率變化不明顯。

圖5 既有橋梁結構橫隔板分布

2.3 梁端橫隔板厚度的影響

表3 橫隔板加固對結構自振頻率的影響結果

為了明確梁端隔板不同厚度對主梁自振頻率的影響，在不改變既有橫隔板數量的情況下，分析了梁端橫隔板加固厚度對主梁自振頻率的變化規律。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。例如在初始狀態下，主梁結構橫向自振頻率為10.93 Hz，梁端橫隔板增加100 mm時主梁橫向頻率增大為11.58 Hz。隨著端部橫隔板繼續增厚，橫向自振頻率持續增大，當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 橫隔板數量的影響

為了明確不同橫隔板數量對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中數據可知，增加橫隔板數量后，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 橫隔板數量對主梁自振頻率的影響結果

3 橫隔板橫向加固對橋梁結構力學性能影響的現場實測研究

3.1 橫隔板方案選取及測點布置

研究結果表明：跨中橫隔梁厚度改變影響較小，橫隔梁厚度增加400 mm時可以取得較好的效果。原設計方案中，端橫隔板的厚度為460 mm，加固后端橫隔板的厚度為860 mm。原設計方案中，距離跨中3 m處未設置橫隔板，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梁中應用，并測試加固前后其力學性能的變化規律。T梁結構振動測點布置見圖3。測點布置在第1孔主梁上，橫向振幅和加速度測點布置在翼緣上部。

3.2 橫隔板加固對T梁結構橫向力學性能影響

3.2.1 橫隔板對T梁橫向振幅的影響

不同列車荷載下T梁加固前后振動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T梁橫向加速度的影響

運營列車作用下橋梁加固前后橋跨結構跨中橫向加速度測試結果見表5。從表中可以看出，采用加固橫隔板增強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 結論

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

(2)采用碳纖維板對12 m T梁加固后，橋梁結構的跨中撓度、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T梁橫向振幅、橫向加速度的影響

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