大軸重條件下既有鐵路橋梁適應性分析及對策研究

陳樹禮,許宏偉,劉永前

(1.石家莊鐵道大學安全工程與應急管理學院,石家莊 050043； 2.大型基礎設施性能與安全省部共建協同創新中心,石家莊 050043； 3.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043)

因其具有環保、節能、高效的巨大優勢，“貨運重載”已經成為繼“客運高速”以后未來我國貨運鐵路的重要發展方向，而對既有鐵路進行大軸重擴能改造則是提高運輸能力和效率的主要方式。對于鐵路橋梁而言，列車軸重的提高相應增大了作用在橋梁結構上的荷載和沖擊，采用較早設計標準和施工標準的橋梁大多呈現出一定的不適應性，具體表現在承載能力不足、振動過大、開裂嚴重、劣化加快和疲勞壽命降低等方面。大軸重運輸對既有鐵路橋梁安全運營造成不利影響[1-2]。

為準確掌握大軸重運輸對橋梁結構的作用，國內外學者通過理論分析、數值模擬和實橋試驗等手段，開展了深入的適應性分析研究。秦寶來、左家強等[3-5]基于模擬分析和實際工程應用，探究了大秦鐵路常見類型橋梁結構在重載運輸條件下的受力特性；李運生、崔鑫等[6-11]以既有鐵路鋼結構橋梁為對象，基于數值模擬和理論分析，深入研究了大軸重運輸對不同類型鋼結構橋梁的受力影響規律，也提出了一些可行的加固改造建議；高國良、龍衛國等[12-17]在詳細統計橋梁現狀和重載運輸條件基礎上，采用理論分析和試驗相結合的手段，重點分析了中小跨度橋梁在25,27 t和30 t軸重列車作用下的適應性，認為重載運輸對小跨梁影響較大，其靜動力性能、耐久性等均有所下降；胡所亭、谷牧等[18-20]基于模型試驗和現場試驗，系統開展了既有鐵路橋涵結構在大軸重運輸條件下的適應性研究，提出包括基于預應力碳纖維布、體外預應力、波紋板加固等在內的多種加固改造方法，并在既有鐵路上進行了典型工程應用。

已有研究表明，開行大軸重列車不可避免地降低既有鐵路橋梁結構的安全儲備，但既有研究多以某種類型典型橋梁為研究對象，研究內容也較為單一，針對大軸重條件下常見跨度橋梁的適應性研究還不全面，也缺乏系統的加固改造整治對策總結分析。我國既有鐵路橋梁建設年代跨度大、設計和建設標準不統一，服役狀態差異也較大，橋梁受力復雜，對橋梁進行強化改造是既有鐵路重載化面臨的重要技術難題。在前述研究基礎上，通過對我國鐵路設計荷載演變歷程和重載運輸發展歷程的系統總結，結合不同設計標準橋梁結構的受力特性分析和相關改造加固工程實例，系統開展大軸重運輸條件下既有鐵路橋梁適應性分析和對策研究，研究成果可為既有鐵路重載化擴能改造提供技術參考。

1 我國鐵路設計標準及重載運輸發展歷程

1.1 鐵路設計標準發展歷程

列車荷載圖式代表了鐵路移動裝備對工程結構的作用特征和作用量值，是一組按照不同軸距和軸重組合，依據不同規律排列并具有可變速度的力學模型。自新中國成立到目前為止，我國鐵路橋梁荷載圖式一共經過了7次較大修改，分別為1951年、1959年、1975年、1985年、2000年、2005年和2016年。

1951年6月，我國頒布實施了中-Z活載標準，按照鐵路等級不同區別對待，分為中-18級、中-22級和中-26級，一般按照中-22級設計。1958年頒布實施的設計規范中規定，對于≤40 m跨度橋梁，設計時采用中-22級標準。中-Z活載采用后，車輛平均載質量得到較大提高，伴隨而來的是載重50 t和60 t的敞車得到快速發展。1975年，我國在修改鐵路設計規范時，將中-Z活載標準修訂為中-活載，1985年修訂規范時仍然采用中-活載荷載圖式，其主要特點是考慮了機車質量的增加和均布荷載以及特殊荷載的增加，但中-活載標準同樣是在蒸汽機車牽引和早期的運輸組織背景下制定完成，其原型是“蒸汽機車+煤水車+貨車車輛”。

2000年以來，根據高速鐵路和城際鐵路的發展需求，我國研究制定了高速鐵路和城際鐵路列車荷載圖式。2005年，鐵道科學研究院研究提出了適用于客貨共線(ZKH)和貨運鐵路(ZH)橋梁的中-活載(2005)圖式，兩種圖式荷載標準較中-活載都有適當提高。2016年國家鐵路局發布的《鐵路列車荷載圖式》[21]則規定了高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路的專業列車荷載圖式，考慮了我國“客運高速、貨運重載”的技術特點，適應不同的運輸特征，預留了合理的儲備系數，而特種活載設計也較好地解決了小跨度橋梁的受力和疲勞問題。幾種典型荷載圖式見圖1。

圖1 我國鐵路設計荷載圖式

根據既有研究資料，目前我國采用中-Z活載設計的橋梁結構約占總數的28.7%，其余基本采用中-活載圖式，且劣化達到A級的橋梁占比也達到30%，橋梁結構劣化程度較高[22]。

1.2 機車車輛發展

隨著重載運輸快速發展，對機車車輛在牽引力、節能和環保等方面提出了更高要求，機車發展突飛猛進，內燃機車和電力機車是目前鐵路貨物運輸的核心車型。

20世紀80年代以來，DF8、DF8B內燃機車和SS4B、SS4B、SS7等電力機車先后研制成功，軸重達到25 t，牽引質量達到5 000 t。2003年以來，我國在大功率內燃機車和電力機車技術方面不斷取得突破，軸重25 t及以上的HXD1、HXD2、HXD3、神24型等電力機車以及HXN3、HXN5型內燃機車和HXN6型等混合動力機車都得到了成功應用，最大軸重達到30t，運行速度達到120 km/h，牽引力也達到了2 280 kN，并且在安全、環保性能和智能等領域得到了全面改進提升。

配合大軸重機車的迅速發展，鐵路貨車經歷了3次較大的技術升級換代。建國初期，貨車軸重完成了載重30 t級向50 t級的第一次升級換代。隨著中-活載標準的實施和大軸重電力機車的逐漸應用，C62、C64型貨車的應用實現了載重60 t級的第二次升級換代。2003年以后，以C70為代表的載重70 t級通用貨車和以C80為代表的載重80 t級運煤專用敞車的研制和生產，標志著鐵路貨車實現了向70～80 t級第三次升級換代。近年來，以C96、KM98為代表的載重100 t級運煤專用敞車的研制成功，標志著鐵路貨車第四次升級換代的開始。

截止2019年末，我國鐵路貨車擁有量達到了85.7萬輛[23]，分別為21 t級、23 t級、25 t級和30 t級，包括敞車、棚車、罐車、漏斗車等多種類型，常見運煤敞車基本參數見表1。

表1 常見貨車參數

軸重25 t級和30 t級大軸重貨車的投入使用，可以使單車載質量比既有C64貨車提高33%～70%，進而大幅度提高運能。但軸重的提高相應加大了作用在橋梁結構上的荷載和沖擊，其承載能力和耐久性能需進行科學評估。

2 荷載效應及活載儲備量分析

荷載效應是指在工程結構設計和使用中，由荷載作用引起的結構或結構構件內產生的內力(如軸力，剪力，彎矩等)變形和裂縫等的總稱，荷載效應和抵抗能力是一種相互關系。大軸重列車開行，作用到結構上的荷載效應發生變化，尤其是采用中-Z荷載和中-活載設計的橋梁，變化更大。常見貨車與不同設計活載作用下的橋梁靜效應比值見圖2。

圖2 常見貨車與設計活載靜效應比值

活載儲備量=[1-Max(運營活載效應/設計活載效應)]×100%，其中，正值表示橋梁有一定的安全儲備，負值表示運營荷載超過設計安全儲備，零值表示運營荷載和設計荷載二者相符。不同軸重列車作用下的橋梁結構活載儲備量分析見圖3。

圖3 橋梁活載儲備量分析

從圖2、圖3中數據可以看出，對于5 m以下跨度橋梁，結構受力主要受軸重和軸距控制，大軸重條件對其影響最為顯著。在21，23，25，30 t軸重貨車作用下，對于按照中-Z活載和中-活載設計的橋梁結構，橋梁荷載效應比值介于0.87～1.24之間，而活載儲備量則介于-23.97%～13.22%，跨度越小荷載效應比值越大且活載儲備量越低；對于按照ZH活載設計的橋梁結構，橋梁荷載效應比值介于0.63～0.89之間，而活載儲備量則介于10.71%～37.5%，同樣也表現為橋梁跨度越小荷載效應比值越大，而活載儲備量越低。荷載效應增大和活載儲備量降低，說明按照中-Z活載和中-活載設計的5 m以下小跨度橋梁的安全儲備嚴重不足，大軸重條件下呈現出嚴重的不適應性。

對于跨度5～18 m橋梁，結構受力主要受軸重、軸距和鄰軸距控制，大軸重運輸條件對其影響非常明顯。在21，23，25，30 t軸重貨車作用下，對于按照中-Z活載和中-活載設計的橋梁結構，橋梁荷載效應比值介于0.73～1.22之間，而活載儲備量則介于-21.67%～28.37%，跨度越小荷載效應比值越大且活載儲備量越低；對于按照ZH活載設計的橋梁結構，橋梁荷載效應比值介于0.46～0.79之間，而活載儲備量則介于23.40%～58.25%，同樣也表現為跨度越小荷載效應比值越大而活載儲備量越低；按照中-Z活載和中-活載設計跨度5～18 m橋梁的安全儲備也存在一定程度不足。

對于跨度18 m及以上橋梁，結構受力主要受均布荷載控制，大軸重運輸產生的影響相對小一些。在21，23，25，30t軸重貨車作用下，對于按照中-Z活載和中-活載設計的橋梁結構，橋梁荷載效應比值介于0.69～1.13之間，而活載儲備量則介于-13.90%～35.19%，跨度在50m及以下時，荷載效應和活載儲備量均有一定程度的富余，而當跨度超過50m時，荷載效應逐漸增大而活載儲備量不斷降低。對于按照ZH活載設計的橋梁，橋梁荷載效應比值介于0.52～0.83，活載儲備量則介于17.36%～44.48%，跨度越大荷載效應愈大而活載儲備量則有下降趨勢；按照中-Z活載和中-活載設計的中等以上跨度橋梁的安全儲備也存在一定程度不足。

因此，我國既有鐵路按照中-Z荷載以及中-活載設計的橋梁結構，在25 t及以上荷載作用下，其活載儲備量均有所降低，尤其是小跨度橋梁結構，其活載儲備量幾乎沒有或者已為負值，已經用光了安全儲備。根據既有研究資料，當活載儲備量小于0.10時，長期持續的大軸重荷載作用下橋梁安全性和耐久性降低迅速，容易出現開裂、振動加劇、撓度偏大等系列病害，荷載作用下疲勞損傷增長迅速，承載能力不足問題日益凸顯[16]。

3 橋梁結構面臨的主要問題及強化對策

大軸重運輸對橋梁結構的作用主要體現在豎向、橫向和縱向3個方面。機車車輛軸重提高必然會引起豎向荷載增大，影響結構承載能力和疲勞性能，尤其對小跨度橋梁影響最大。同時，豎向荷載增加導致橫向搖擺力和離心力增大，進而導致橋梁振動和疲勞損傷加劇以及耐久性降低，危及安全。此外，列車豎向荷載的增加和列車同步操縱的提高都引起作用在橋梁上的縱向力有增大趨勢，大軸重運輸條件下橋梁支座和下部結構都承受了更大的荷載作用，結構病害日益突出。

鑒于大軸重運輸引起的一系列問題，需分門別類進行歸納分析，進而針對性地采取相應措施進行強化改造。

3.1 小跨度橋梁

我國鐵路橋梁多為標準設計，通常情況下認為16 m及以下跨度梁為小跨度梁，20 m及以上橋梁為中等以上跨度梁。小跨度橋梁一般多為鋼筋混凝土結構，其典型特點是跨度小、截面高度低，而病害則突出表現在開裂嚴重、剛度退化明顯、振動響應偏大和劣化程度高等方面。小跨度橋梁設計時一般按照軸重加載控制，對軸重的提高最為敏感，軸重是影響小跨度橋梁受力的關鍵控制指標。對于此類型結構，其安全儲備很小或已用盡，強化改造的核心是提高梁體的抗裂性能和整體剛度，將既有普通鋼筋混凝土結構更換為其他類型的整體結構是一種最直接和效果最好的方法。

2018年6月，某重載鐵路8 m跨度鋼筋混凝土T梁進行了更換施工，將并置式鋼筋混凝土T梁更換為整體式鋼混組合梁，見圖4。

圖4 某重載鐵路8 m橋梁更新改造

換梁施工采用高架臺車方案，在原位進行新舊梁置換，單孔施工歷時4 h。更換前后橋梁動力性能試驗表明，更換前后梁體跨中橫向振幅、豎向振幅、橫向加速度、撓跨比、動力系數和自振頻率分別為0.40 mm和0.10 mm，0.42 mm和0.25 mm，0.53 m/s2和0.37 m/s2，1/4 839和1/5 538，1.20和1.05，13.75 Hz和12.77 Hz。更換為組合梁以后，橋跨振動顯著降低，梁體跨中撓度較更換前也有所減小，整體穩定性得到明顯提升。

2019年12月—2021年7月，對某重載鐵路十余座12 m跨度板梁進行了更換施工，將并置式鋼筋混凝土板梁更換為整體式預應力板梁，見圖5。在橋梁更換前后進行靜動力性能試驗，橋梁更換前后典型參數試驗結果分別見圖6、圖7。

圖5 某重載鐵路12 m橋梁更新改造

圖6 并置梁和整體梁荷載-位移關系曲線對比

圖7 并置梁和整體梁跨中橫向振幅對比

將并置梁更換為整體梁后，梁體撓度、振動等各項控制指標均得到了明顯改善，相同荷載作用下，整體梁撓度約為并置梁的1/3，梁體豎向剛度和承載能力得到顯著提高。更換前后梁體實測橫向自振頻率分別為9.0 Hz和21.08 Hz，更換后自振頻率提高134%，且一階振型也表現為豎向彎曲，與并置梁一階橫彎表現有所差異，整體梁橫向剛度也得到了大幅提升。

3.2 中等以上跨度橋梁

中等以上跨度橋梁多為預應力混凝土結構，跨度32 m以上梁多采用鋼桁梁或鋼板梁結構。對于全預應力結構橋梁而言，設計活載作用下梁底面不允許出現拉應力，結構也不允許出現開裂。根據既有研究結果，大軸重列車開行引起梁體抗裂安全系數進一步降低，不能滿足長期安全運營要求，對其改造的原則就要基于提高抗裂性能和抗彎承載能力目的出發。

體外預應力、輔助鋼梁、增大截面等均為梁體加固常用且有效的方法。其中，預應力碳纖維板加固梁體在重載鐵路中得到了較多應用，具有更輕的加固質量、更強的材料耐久性和更好的加固效果[16]。預應力碳纖維加固梁體對比見圖8。

圖8 預應力碳纖維板加固

跨度64 m下承式鋼桁梁是既有鐵路中的又一重要類型，多按照通用設計圖制造。大軸重運輸條件下，橋面系縱橫梁及其連接構件、受拉桿件和連接構件的受力更為復雜，安全儲備降低且易發生疲勞損傷，對其加固改造的原則是對薄弱桿件和連接進行加強、增大有效截面并降低應力幅，減小疲勞損傷。

基于上述原則，基于詳細的大軸重適應性分析計算，某重載鐵路64 m鋼桁梁進行了加固改造施工，主要對關鍵受力桿件進行補強加固，針對12根薄弱桿件、36塊魚形板和32根縱梁進行了強化改造加固，采用拼接鋼板或角鋼的方法來增大截面，并將原有連接板更換為尺寸更大鋼板，現場加固施工見圖9。

圖9 鋼桁梁加固

參考文獻[24]的檢測數據，加固后縱梁下緣應力減小35%，加固構件應力達到34 MPa，加固構件與原結構共同受力，有效降低了原結構應力幅值，達到了預期加固效果。

3.3 支座

既有鐵路支座主要有板式橡膠支座、盆式橡膠支座和鋼支座3種類型。板式橡膠支座多用于小跨度橋梁，存在剛度小、病害多和耐久性差等不足；盆式橡膠支座則容易發生老化、擠出和偏壓等病害，而銹蝕、轉角超限等則是鋼支座容易發生的病害類型。鑒于支座結構的重要性和易損性，對橋梁支座的改造原則是將既有病害支座更換為尺寸更大或性能更優的相同類型或升級類型支座。

既有板式橡膠支座的處理措施主要有2種：一是更換為結構構造和性能更為合理的新型板式橡膠支座，通過提高彈性模量和減小變形來適應重要運輸；二是將板式橡膠支座更換為傳力更為明確、耐久性更強、可靠性更好的球型支座。對于盆式橡膠支座而言，多采用更換為球型支座的方法來處理。對于大跨度橋梁中常用的搖軸支座和輥軸支座等類型鋼支座，多采用更換為圓柱面鋼支座或鉸軸滑板支座的方式進行強化改造。既有鐵路中典型支座更換見圖10。

圖10 板式支座更換

對某重載鐵路50余座將舊板式橡膠支座更換為新型板式支座或球型支座、將舊鋼支座更換為球型支座的橋梁進行了更換前后的性能對比試驗?，F場測試結果表明，球型支座代替板式支座后，支座剛度增加引起的列車對橋梁結構的沖擊響應略有增大，但支座位移則顯著降低，最大降幅近100%；新型板式支座代替舊板式支座和球型支座代替舊鋼支座后，橋梁動力響應與更換前變化不大，部分參數有減小趨勢，但支座位移響應得到了明顯改善?？梢哉J為，更換后的支座變形更小、耐久性更強，具有更好的重載適應性。

3.4 墩臺基礎

大軸重運輸條件下，既有鐵路不同類型墩臺基礎面臨的問題各不相同，但基本都集中在剛度不足、穩定性差、承載能力不足等方面，加固改造的基本原則就是提高承載能力和穩定性，增加橫向和縱向剛度，以達到適應重載運輸的目的。常見墩臺基礎面臨問題及其處理對策見表2。

某重載鐵路對全線不同類型橋墩進行了增大截面和增大基礎加固，主要采用外包混凝土或鋼板、雙柱連接、增補樁基、增大基礎等多種加固方式，典型墩臺基礎加固實例見圖11。

表2 常見墩臺基礎問題及其處理對策

圖11 典型墩臺基礎加固

某鐵路對十余座橋墩加固進行了典型橋墩現場加固施工監控和加固前后的性能對比試驗。現場實測結果表明，常用的增大截面、增補樁基和加大尺寸等加固方式方法均能較顯著地提高基礎穩定性和墩身剛度，加固后橋墩橫向剛度和基礎穩定性都得到大幅提高，橋墩橫向振動顯著降低，自振頻率大幅增大且最大增幅已達到300%及以上，橋墩振動的降低也直接使得橋跨結構振動響應有所改善，具有更好的重載運輸適應性。

4 結論

(1)大軸重運輸條件下，隨軸重增加橋梁結構荷載效應逐漸增大且活載儲備量逐漸降低。在25 t及以上軸重荷載作用下，按中-Z和中-活載設計的小跨度梁活載儲備量最低達到-23.97%，中等及以上跨度橋梁活載儲備量最低達到-13.90%，結構安全儲備存在一定程度的不足。從保證結構安全和運營安全的角度出發，需按照ZH活載圖式進行強化改造，以適應大軸重運輸需求。

(2)大軸重運輸條件下，既有鐵路橋梁結構面臨眾多問題，主要體現在小跨度橋梁的強度和穩定性安全儲備嚴重不足、中等以上跨度橋梁的抗裂和抗彎性能偏低、支座性能差且病害嚴重，下部結構剛度偏弱和穩定性差等方面。針對不同的結構類型和問題，需從抗裂、提高承載能力和正常使用性能等方面入手，針對性進行加固改造。

(3)我國既有鐵路橋梁擴能改造實際工程應用成果表明，小跨度梁進行整體置換、中等以上跨度梁進行組合加固或預應力加固、更換和改進支座類型、增補樁基或增大截面加固墩臺基礎等措施對提高結構承載能力和使用性能具有較好效果，加固改造后的橋梁結構滿足大軸重運輸需求。