陳樹(shù)禮,許宏偉,劉永前

(1.石家莊鐵道大學(xué)安全工程與應(yīng)急管理學(xué)院,石家莊 050043； 2.大型基礎(chǔ)設(shè)施性能與安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,石家莊 050043； 3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043)

因其具有環(huán)保、節(jié)能、高效的巨大優(yōu)勢(shì)，“貨運(yùn)重載”已經(jīng)成為繼“客運(yùn)高速”以后未來(lái)我國(guó)貨運(yùn)鐵路的重要發(fā)展方向，而對(duì)既有鐵路進(jìn)行大軸重?cái)U(kuò)能改造則是提高運(yùn)輸能力和效率的主要方式。對(duì)于鐵路橋梁而言，列車(chē)軸重的提高相應(yīng)增大了作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載和沖擊，采用較早設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)的橋梁大多呈現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性，具體表現(xiàn)在承載能力不足、振動(dòng)過(guò)大、開(kāi)裂嚴(yán)重、劣化加快和疲勞壽命降低等方面。大軸重運(yùn)輸對(duì)既有鐵路橋梁安全運(yùn)營(yíng)造成不利影響[1-2]。

為準(zhǔn)確掌握大軸重運(yùn)輸對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)橋試驗(yàn)等手段，開(kāi)展了深入的適應(yīng)性分析研究。秦寶來(lái)、左家強(qiáng)等[3-5]基于模擬分析和實(shí)際工程應(yīng)用，探究了大秦鐵路常見(jiàn)類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)在重載運(yùn)輸條件下的受力特性；李運(yùn)生、崔鑫等[6-11]以既有鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁為對(duì)象，基于數(shù)值模擬和理論分析，深入研究了大軸重運(yùn)輸對(duì)不同類(lèi)型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的受力影響規(guī)律，也提出了一些可行的加固改造建議；高國(guó)良、龍衛(wèi)國(guó)等[12-17]在詳細(xì)統(tǒng)計(jì)橋梁現(xiàn)狀和重載運(yùn)輸條件基礎(chǔ)上，采用理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的手段，重點(diǎn)分析了中小跨度橋梁在25,27 t和30 t軸重列車(chē)作用下的適應(yīng)性，認(rèn)為重載運(yùn)輸對(duì)小跨梁影響較大，其靜動(dòng)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)開(kāi)展了既有鐵路橋涵結(jié)構(gòu)在大軸重運(yùn)輸條件下的適應(yīng)性研究，提出包括基于預(yù)應(yīng)力碳纖維布、體外預(yù)應(yīng)力、波紋板加固等在內(nèi)的多種加固改造方法，并在既有鐵路上進(jìn)行了典型工程應(yīng)用。

已有研究表明，開(kāi)行大軸重列車(chē)不可避免地降低既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，但既有研究多以某種類(lèi)型典型橋梁為研究對(duì)象，研究?jī)?nèi)容也較為單一，針對(duì)大軸重條件下常見(jiàn)跨度橋梁的適應(yīng)性研究還不全面，也缺乏系統(tǒng)的加固改造整治對(duì)策總結(jié)分析。我國(guó)既有鐵路橋梁建設(shè)年代跨度大、設(shè)計(jì)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，服役狀態(tài)差異也較大，橋梁受力復(fù)雜，對(duì)橋梁進(jìn)行強(qiáng)化改造是既有鐵路重載化面臨的重要技術(shù)難題。在前述研究基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)荷載演變歷程和重載運(yùn)輸發(fā)展歷程的系統(tǒng)總結(jié)，結(jié)合不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性分析和相關(guān)改造加固工程實(shí)例，系統(tǒng)開(kāi)展大軸重運(yùn)輸條件下既有鐵路橋梁適應(yīng)性分析和對(duì)策研究，研究成果可為既有鐵路重載化擴(kuò)能改造提供技術(shù)參考。

1 我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及重載運(yùn)輸發(fā)展歷程

1.1 鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

列車(chē)荷載圖式代表了鐵路移動(dòng)裝備對(duì)工程結(jié)構(gòu)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(jù)不同規(guī)律排列并具有可變速度的力學(xué)模型。自新中國(guó)成立到目前為止，我國(guó)鐵路橋梁荷載圖式一共經(jīng)過(guò)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(guó)頒布實(shí)施了中-Z活載標(biāo)準(zhǔn)，按照鐵路等級(jí)不同區(qū)別對(duì)待，分為中-18級(jí)、中-22級(jí)和中-26級(jí)，一般按照中-22級(jí)設(shè)計(jì)。1958年頒布實(shí)施的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，對(duì)于≤40 m跨度橋梁，設(shè)計(jì)時(shí)采用中-22級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。中-Z活載采用后，車(chē)輛平均載質(zhì)量得到較大提高，伴隨而來(lái)的是載重50 t和60 t的敞車(chē)得到快速發(fā)展。1975年，我國(guó)在修改鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)，將中-Z活載標(biāo)準(zhǔn)修訂為中-活載，1985年修訂規(guī)范時(shí)仍然采用中-活載荷載圖式，其主要特點(diǎn)是考慮了機(jī)車(chē)質(zhì)量的增加和均布荷載以及特殊荷載的增加，但中-活載標(biāo)準(zhǔn)同樣是在蒸汽機(jī)車(chē)牽引和早期的運(yùn)輸組織背景下制定完成，其原型是“蒸汽機(jī)車(chē)+煤水車(chē)+貨車(chē)車(chē)輛”。

2000年以來(lái)，根據(jù)高速鐵路和城際鐵路的發(fā)展需求，我國(guó)研究制定了高速鐵路和城際鐵路列車(chē)荷載圖式。2005年，鐵道科學(xué)研究院研究提出了適用于客貨共線(xiàn)(ZKH)和貨運(yùn)鐵路(ZH)橋梁的中-活載(2005)圖式，兩種圖式荷載標(biāo)準(zhǔn)較中-活載都有適當(dāng)提高。2016年國(guó)家鐵路局發(fā)布的《鐵路列車(chē)荷載圖式》[21]則規(guī)定了高速鐵路、城際鐵路、客貨共線(xiàn)鐵路和重載鐵路的專(zhuān)業(yè)列車(chē)荷載圖式，考慮了我國(guó)“客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載”的技術(shù)特點(diǎn)，適應(yīng)不同的運(yùn)輸特征，預(yù)留了合理的儲(chǔ)備系數(shù)，而特種活載設(shè)計(jì)也較好地解決了小跨度橋梁的受力和疲勞問(wèn)題。幾種典型荷載圖式見(jiàn)圖1。

圖1 我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)荷載圖式

根據(jù)既有研究資料，目前我國(guó)采用中-Z活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)約占總數(shù)的28.7%，其余基本采用中-活載圖式，且劣化達(dá)到A級(jí)的橋梁占比也達(dá)到30%，橋梁結(jié)構(gòu)劣化程度較高[22]。

1.2 機(jī)車(chē)車(chē)輛發(fā)展

隨著重載運(yùn)輸快速發(fā)展，對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛在牽引力、節(jié)能和環(huán)保等方面提出了更高要求，機(jī)車(chē)發(fā)展突飛猛進(jìn)，內(nèi)燃機(jī)車(chē)和電力機(jī)車(chē)是目前鐵路貨物運(yùn)輸?shù)暮诵能?chē)型。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，DF8、DF8B內(nèi)燃機(jī)車(chē)和SS4B、SS4B、SS7等電力機(jī)車(chē)先后研制成功，軸重達(dá)到25 t，牽引質(zhì)量達(dá)到5 000 t。2003年以來(lái)，我國(guó)在大功率內(nèi)燃機(jī)車(chē)和電力機(jī)車(chē)技術(shù)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(jī)車(chē)以及HXN3、HXN5型內(nèi)燃機(jī)車(chē)和HXN6型等混合動(dòng)力機(jī)車(chē)都得到了成功應(yīng)用，最大軸重達(dá)到30t，運(yùn)行速度達(dá)到120 km/h，牽引力也達(dá)到了2 280 kN，并且在安全、環(huán)保性能和智能等領(lǐng)域得到了全面改進(jìn)提升。

配合大軸重機(jī)車(chē)的迅速發(fā)展，鐵路貨車(chē)經(jīng)歷了3次較大的技術(shù)升級(jí)換代。建國(guó)初期，貨車(chē)軸重完成了載重30 t級(jí)向50 t級(jí)的第一次升級(jí)換代。隨著中-活載標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和大軸重電力機(jī)車(chē)的逐漸應(yīng)用，C62、C64型貨車(chē)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了載重60 t級(jí)的第二次升級(jí)換代。2003年以后，以C70為代表的載重70 t級(jí)通用貨車(chē)和以C80為代表的載重80 t級(jí)運(yùn)煤專(zhuān)用敞車(chē)的研制和生產(chǎn)，標(biāo)志著鐵路貨車(chē)實(shí)現(xiàn)了向70～80 t級(jí)第三次升級(jí)換代。近年來(lái)，以C96、KM98為代表的載重100 t級(jí)運(yùn)煤專(zhuān)用敞車(chē)的研制成功，標(biāo)志著鐵路貨車(chē)第四次升級(jí)換代的開(kāi)始。

截止2019年末，我國(guó)鐵路貨車(chē)擁有量達(dá)到了85.7萬(wàn)輛[23]，分別為21 t級(jí)、23 t級(jí)、25 t級(jí)和30 t級(jí)，包括敞車(chē)、棚車(chē)、罐車(chē)、漏斗車(chē)等多種類(lèi)型，常見(jiàn)運(yùn)煤敞車(chē)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)貨車(chē)參數(shù)

軸重25 t級(jí)和30 t級(jí)大軸重貨車(chē)的投入使用，可以使單車(chē)載質(zhì)量比既有C64貨車(chē)提高33%～70%，進(jìn)而大幅度提高運(yùn)能。但軸重的提高相應(yīng)加大了作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載和沖擊，其承載能力和耐久性能需進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

2 荷載效應(yīng)及活載儲(chǔ)備量分析

荷載效應(yīng)是指在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用中，由荷載作用引起的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力(如軸力，剪力，彎矩等)變形和裂縫等的總稱(chēng)，荷載效應(yīng)和抵抗能力是一種相互關(guān)系。大軸重列車(chē)開(kāi)行，作用到結(jié)構(gòu)上的荷載效應(yīng)發(fā)生變化，尤其是采用中-Z荷載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁，變化更大。常見(jiàn)貨車(chē)與不同設(shè)計(jì)活載作用下的橋梁靜效應(yīng)比值見(jiàn)圖2。

圖2 常見(jiàn)貨車(chē)與設(shè)計(jì)活載靜效應(yīng)比值

活載儲(chǔ)備量=[1-Max(運(yùn)營(yíng)活載效應(yīng)/設(shè)計(jì)活載效應(yīng))]×100%，其中，正值表示橋梁有一定的安全儲(chǔ)備，負(fù)值表示運(yùn)營(yíng)荷載超過(guò)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備，零值表示運(yùn)營(yíng)荷載和設(shè)計(jì)荷載二者相符。不同軸重列車(chē)作用下的橋梁結(jié)構(gòu)活載儲(chǔ)備量分析見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁活載儲(chǔ)備量分析

從圖2、圖3中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于5 m以下跨度橋梁，結(jié)構(gòu)受力主要受軸重和軸距控制，大軸重條件對(duì)其影響最為顯著。在21，23，25，30 t軸重貨車(chē)作用下，對(duì)于按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.87～1.24之間，而活載儲(chǔ)備量則介于-23.97%～13.22%，跨度越小荷載效應(yīng)比值越大且活載儲(chǔ)備量越低；對(duì)于按照Z(yǔ)H活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.63～0.89之間，而活載儲(chǔ)備量則介于10.71%～37.5%，同樣也表現(xiàn)為橋梁跨度越小荷載效應(yīng)比值越大，而活載儲(chǔ)備量越低。荷載效應(yīng)增大和活載儲(chǔ)備量降低，說(shuō)明按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的5 m以下小跨度橋梁的安全儲(chǔ)備嚴(yán)重不足，大軸重條件下呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不適應(yīng)性。

對(duì)于跨度5～18 m橋梁，結(jié)構(gòu)受力主要受軸重、軸距和鄰軸距控制，大軸重運(yùn)輸條件對(duì)其影響非常明顯。在21，23，25，30 t軸重貨車(chē)作用下，對(duì)于按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.73～1.22之間，而活載儲(chǔ)備量則介于-21.67%～28.37%，跨度越小荷載效應(yīng)比值越大且活載儲(chǔ)備量越低；對(duì)于按照Z(yǔ)H活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.46～0.79之間，而活載儲(chǔ)備量則介于23.40%～58.25%，同樣也表現(xiàn)為跨度越小荷載效應(yīng)比值越大而活載儲(chǔ)備量越低；按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)跨度5～18 m橋梁的安全儲(chǔ)備也存在一定程度不足。

對(duì)于跨度18 m及以上橋梁，結(jié)構(gòu)受力主要受均布荷載控制，大軸重運(yùn)輸產(chǎn)生的影響相對(duì)小一些。在21，23，25，30t軸重貨車(chē)作用下，對(duì)于按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.69～1.13之間，而活載儲(chǔ)備量則介于-13.90%～35.19%，跨度在50m及以下時(shí)，荷載效應(yīng)和活載儲(chǔ)備量均有一定程度的富余，而當(dāng)跨度超過(guò)50m時(shí)，荷載效應(yīng)逐漸增大而活載儲(chǔ)備量不斷降低。對(duì)于按照Z(yǔ)H活載設(shè)計(jì)的橋梁，橋梁荷載效應(yīng)比值介于0.52～0.83，活載儲(chǔ)備量則介于17.36%～44.48%，跨度越大荷載效應(yīng)愈大而活載儲(chǔ)備量則有下降趨勢(shì)；按照中-Z活載和中-活載設(shè)計(jì)的中等以上跨度橋梁的安全儲(chǔ)備也存在一定程度不足。

因此，我國(guó)既有鐵路按照中-Z荷載以及中-活載設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，在25 t及以上荷載作用下，其活載儲(chǔ)備量均有所降低，尤其是小跨度橋梁結(jié)構(gòu)，其活載儲(chǔ)備量幾乎沒(méi)有或者已為負(fù)值，已經(jīng)用光了安全儲(chǔ)備。根據(jù)既有研究資料，當(dāng)活載儲(chǔ)備量小于0.10時(shí)，長(zhǎng)期持續(xù)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(xiàn)開(kāi)裂、振動(dòng)加劇、撓度偏大等系列病害，荷載作用下疲勞損傷增長(zhǎng)迅速，承載能力不足問(wèn)題日益凸顯[16]。

3 橋梁結(jié)構(gòu)面臨的主要問(wèn)題及強(qiáng)化對(duì)策

大軸重運(yùn)輸對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在豎向、橫向和縱向3個(gè)方面。機(jī)車(chē)車(chē)輛軸重提高必然會(huì)引起豎向荷載增大，影響結(jié)構(gòu)承載能力和疲勞性能，尤其對(duì)小跨度橋梁影響最大。同時(shí)，豎向荷載增加導(dǎo)致橫向搖擺力和離心力增大，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁振動(dòng)和疲勞損傷加劇以及耐久性降低，危及安全。此外，列車(chē)豎向荷載的增加和列車(chē)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(shì)，大軸重運(yùn)輸條件下橋梁支座和下部結(jié)構(gòu)都承受了更大的荷載作用，結(jié)構(gòu)病害日益突出。

鑒于大軸重運(yùn)輸引起的一系列問(wèn)題，需分門(mén)別類(lèi)進(jìn)行歸納分析，進(jìn)而針對(duì)性地采取相應(yīng)措施進(jìn)行強(qiáng)化改造。

3.1 小跨度橋梁

我國(guó)鐵路橋梁多為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通常情況下認(rèn)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(jié)構(gòu)，其典型特點(diǎn)是跨度小、截面高度低，而病害則突出表現(xiàn)在開(kāi)裂嚴(yán)重、剛度退化明顯、振動(dòng)響應(yīng)偏大和劣化程度高等方面。小跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)一般按照軸重加載控制，對(duì)軸重的提高最為敏感，軸重是影響小跨度橋梁受力的關(guān)鍵控制指標(biāo)。對(duì)于此類(lèi)型結(jié)構(gòu)，其安全儲(chǔ)備很小或已用盡，強(qiáng)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(jié)構(gòu)更換為其他類(lèi)型的整體結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jiàn)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(tái)車(chē)方案，在原位進(jìn)行新舊梁置換，單孔施工歷時(shí)4 h。更換前后橋梁動(dòng)力性能試驗(yàn)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(dòng)力系數(shù)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(dòng)顯著降低，梁體跨中撓度較更換前也有所減小，整體穩(wěn)定性得到明顯提升。

2019年12月—2021年7月，對(duì)某重載鐵路十余座12 m跨度板梁進(jìn)行了更換施工，將并置式鋼筋混凝土板梁更換為整體式預(yù)應(yīng)力板梁，見(jiàn)圖5。在橋梁更換前后進(jìn)行靜動(dòng)力性能試驗(yàn)，橋梁更換前后典型參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)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(guān)系曲線(xiàn)對(duì)比

圖7 并置梁和整體梁跨中橫向振幅對(duì)比

將并置梁更換為整體梁后，梁體撓度、振動(dòng)等各項(xiàng)控制指標(biāo)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(shí)測(cè)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(xiàn)為豎向彎曲，與并置梁一階橫彎表現(xiàn)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，跨度32 m以上梁多采用鋼桁梁或鋼板梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)橋梁而言，設(shè)計(jì)活載作用下梁底面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)也不允許出現(xiàn)開(kāi)裂。根據(jù)既有研究結(jié)果，大軸重列車(chē)開(kāi)行引起梁體抗裂安全系數(shù)進(jìn)一步降低，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)要求，對(duì)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(fā)。

體外預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁體在重載鐵路中得到了較多應(yīng)用，具有更輕的加固質(zhì)量、更強(qiáng)的材料耐久性和更好的加固效果[16]。預(yù)應(yīng)力碳纖維加固梁體對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 預(yù)應(yīng)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(lèi)型，多按照通用設(shè)計(jì)圖制造。大軸重運(yùn)輸條件下，橋面系縱橫梁及其連接構(gòu)件、受拉桿件和連接構(gòu)件的受力更為復(fù)雜，安全儲(chǔ)備降低且易發(fā)生疲勞損傷，對(duì)其加固改造的原則是對(duì)薄弱桿件和連接進(jìn)行加強(qiáng)、增大有效截面并降低應(yīng)力幅，減小疲勞損傷。

基于上述原則，基于詳細(xì)的大軸重適應(yīng)性分析計(jì)算，某重載鐵路64 m鋼桁梁進(jìn)行了加固改造施工，主要對(duì)關(guān)鍵受力桿件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，針對(duì)12根薄弱桿件、36塊魚(yú)形板和32根縱梁進(jìn)行了強(qiáng)化改造加固，采用拼接鋼板或角鋼的方法來(lái)增大截面，并將原有連接板更換為尺寸更大鋼板，現(xiàn)場(chǎng)加固施工見(jiàn)圖9。

圖9 鋼桁梁加固

參考文獻(xiàn)[24]的檢測(cè)數(shù)據(jù)，加固后縱梁下緣應(yīng)力減小35%，加固構(gòu)件應(yīng)力達(dá)到34 MPa，加固構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)共同受力，有效降低了原結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值，達(dá)到了預(yù)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(lèi)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(fā)生老化、擠出和偏壓等病害，而銹蝕、轉(zhuǎn)角超限等則是鋼支座容易發(fā)生的病害類(lèi)型。鑒于支座結(jié)構(gòu)的重要性和易損性，對(duì)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(yōu)的相同類(lèi)型或升級(jí)類(lèi)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(jié)構(gòu)構(gòu)造和性能更為合理的新型板式橡膠支座，通過(guò)提高彈性模量和減小變形來(lái)適應(yīng)重要運(yùn)輸；二是將板式橡膠支座更換為傳力更為明確、耐久性更強(qiáng)、可靠性更好的球型支座。對(duì)于盆式橡膠支座而言，多采用更換為球型支座的方法來(lái)處理。對(duì)于大跨度橋梁中常用的搖軸支座和輥軸支座等類(lèi)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(jìn)行強(qiáng)化改造。既有鐵路中典型支座更換見(jiàn)圖10。

圖10 板式支座更換

對(duì)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(jìn)行了更換前后的性能對(duì)比試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)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(chē)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)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(dòng)力響應(yīng)與更換前變化不大，部分參數(shù)有減小趨勢(shì)，但支座位移響應(yīng)得到了明顯改善?？梢哉J(rèn)為，更換后的支座變形更小、耐久性更強(qiáng)，具有更好的重載適應(yīng)性。

3.4 墩臺(tái)基礎(chǔ)

大軸重運(yùn)輸條件下，既有鐵路不同類(lèi)型墩臺(tái)基礎(chǔ)面臨的問(wèn)題各不相同，但基本都集中在剛度不足、穩(wěn)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(wěn)定性，增加橫向和縱向剛度，以達(dá)到適應(yīng)重載運(yùn)輸?shù)哪康?。常?jiàn)墩臺(tái)基礎(chǔ)面臨問(wèn)題及其處理對(duì)策見(jiàn)表2。

某重載鐵路對(duì)全線(xiàn)不同類(lèi)型橋墩進(jìn)行了增大截面和增大基礎(chǔ)加固，主要采用外包混凝土或鋼板、雙柱連接、增補(bǔ)樁基、增大基礎(chǔ)等多種加固方式，典型墩臺(tái)基礎(chǔ)加固實(shí)例見(jiàn)圖11。

表2 常見(jiàn)墩臺(tái)基礎(chǔ)問(wèn)題及其處理對(duì)策

圖11 典型墩臺(tái)基礎(chǔ)加固

某鐵路對(duì)十余座橋墩加固進(jìn)行了典型橋墩現(xiàn)場(chǎng)加固施工監(jiān)控和加固前后的性能對(duì)比試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，常用的增大截面、增補(bǔ)樁基和加大尺寸等加固方式方法均能較顯著地提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性和墩身剛度，加固后橋墩橫向剛度和基礎(chǔ)穩(wěn)定性都得到大幅提高，橋墩橫向振動(dòng)顯著降低，自振頻率大幅增大且最大增幅已達(dá)到300%及以上，橋墩振動(dòng)的降低也直接使得橋跨結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)有所改善，具有更好的重載運(yùn)輸適應(yīng)性。

4 結(jié)論

(1)大軸重運(yùn)輸條件下，隨軸重增加橋梁結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)逐漸增大且活載儲(chǔ)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(shè)計(jì)的小跨度梁活載儲(chǔ)備量最低達(dá)到-23.97%，中等及以上跨度橋梁活載儲(chǔ)備量最低達(dá)到-13.90%，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備存在一定程度的不足。從保證結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)安全的角度出發(fā)，需按照Z(yǔ)H活載圖式進(jìn)行強(qiáng)化改造，以適應(yīng)大軸重運(yùn)輸需求。

(2)大軸重運(yùn)輸條件下，既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)面臨眾多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在小跨度橋梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備嚴(yán)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(yán)重，下部結(jié)構(gòu)剛度偏弱和穩(wěn)定性差等方面。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和問(wèn)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(duì)性進(jìn)行加固改造。

(3)我國(guó)既有鐵路橋梁擴(kuò)能改造實(shí)際工程應(yīng)用成果表明，小跨度梁進(jìn)行整體置換、中等以上跨度梁進(jìn)行組合加固或預(yù)應(yīng)力加固、更換和改進(jìn)支座類(lèi)型、增補(bǔ)樁基或增大截面加固墩臺(tái)基礎(chǔ)等措施對(duì)提高結(jié)構(gòu)承載能力和使用性能具有較好效果，加固改造后的橋梁結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足大軸重運(yùn)輸需求。