铁路简支T梁横向预应力加固方法

于 贵，张 宇，柯佳闻

(1.中铁科学研究院有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

随着铁路货物发送量的增大，列车载重和运行速度不断提升。目前，我国铁路年货运量达30亿t，位居世界第一，采用的运输列车由C70,C80提高到C100；客运列车(高速列车)运行速度提高至200 km/h，这对桥梁的稳定性和安全性提出了更高的要求。特别是运营要求提高后，桥梁横向振动出现的问题较多。如广深线石龙特大桥主桥在运营前进行振动测试，当列车速度达到150 km/h时，主跨与支撑墩发生车桥耦合振动，其强振频率为1.953 Hz；京广线K726+355上行桥为2×24 m+32 m+2×24 m简支梁桥，其梁体跨中最大横向振幅为5.32 mm，超过了规范要求的安全限值3.56 mm，直接影响列车行车安全[1]。

在铁路桥梁设计通用图中，只有桥梁通用图“专桥(01)2051、专桥(01)2011、朔黄桥通-18”包含横向连接预应力，其余图号的梁型均存在横向连接不足、梁体受力不均匀等现象[2]。鉴于铁路桥梁设计和应用中的问题，为了保证铁路运营安全，铁运函〔2004〕120号《铁路桥梁检定规范》[3]规定了列车通过时桥梁的振动频率、振动幅度和振动加速度限值。我国早年修建的铁路双片简支T梁运营时间较长，在环境腐蚀和重载的作用下横隔梁早已开裂。管养部门常用的维护方法是将开裂的横隔梁用混凝土砂浆修补，但运营一段时间后会继续开裂，且桥梁横向振幅不能满足《铁路桥梁检定规范》的要求。为保证列车以160 km/h(客车)和90 km/h(货车)安全通过，马林[4]提出采用横向预应力加固的方法改善铁路混凝土桥梁的横向整体性，延长使用寿命，节省资金。

本文以铁路双片32 m简支T梁为研究对象，通过有限元分析和现场荷载试验对横向预应力加固效果进行研究。

1 工程背景和梁体加固方法研究

1.1 工程背景

山西阴火铁路始建于1986年，于1993年建成通车运营，为连接阴塔至火山的地方单线铁路。正线全长33.3 km，全线共有桥梁18座，且全部为预应力混凝土简支梁桥，全线限速40 km/h。2013年阴火铁路年运量为800万t，开行重车双机(DF8B)和牵引(C64K)货运列车，为非电气化铁路。为了满足新的货运量任务，C64K货运列车逐渐退出，计划开行C80货运列车，预期年运量 15 00万t。这对全线桥梁的安全工作提出了新的要求。

1.2 梁体加固方法研究

相关文献显示部分铁路桥梁采用了横向预应力加固的方法。如兰新线K898+572桥由于提速至200 km/h，梁体跨中最大横向振幅达11.80 mm，超出了安全限值2.67 mm，横向预应力钢束加固后最大横向振幅为2.34 mm[5]。神朔线32 m和24 m预应力混凝土简支梁横向动力性能差，横向预应力钢束加固后提高了梁体横向刚度和横向自振频率[6]。侯月线在运营多年后出现桥梁横隔板混凝土脱落的现象，在提速的需求下进行了横向预应力加固，梁体抗裂性能和横向刚度均有所提高[7]。

综上可知，铁路简支T梁进行横向预应力加固后，桥梁的动力特性会得到不同程度的提升。因此，对阴火铁路全线桥梁也采用该方法进行加固。

1.3 阴火铁路全线桥梁检测

2013年相关单位对全线桥梁进行了桥梁检测评估和荷载试验。结果表明：全线桥梁均存在横隔梁开裂和掉块现象；部分桥梁梁体混凝土存在蜂窝麻面以及裂缝；部分桥梁支座有不同程度的损坏(包括锈蚀、偏位等)；附属设施锈蚀，损坏较为严重；3座桥梁梁体跨中横向振幅超限，1座桥梁梁体横向加速度超限，3座桥梁桥墩横向振幅超限。部分桥梁梁体跨中横向振幅、桥墩横向振幅和自振频率测试结果分别见表1和表2。

表1 部分桥梁梁体跨中横向振幅和自振频率

表2 部分桥梁桥墩横向振幅和自振频率

续表2

注：3号桥为一跨布置，只包含桥台没有桥墩。

2 铁路T梁横向预应力加固

2.1 横向预应力加固原则

文献[5-6，8]对预应力混凝土T梁横向加固的设计和施工进行了介绍，不仅列出了较为详细的加固工艺流程、施工方案和技术措施，以及加固所需的相应机具设备。

横向预应力加固设计原则为： ①加固工程实施不影响列车正常运行；②加固设计应满足结构疲劳和耐久性的要求；③尽量减少对原有结构的损伤；④横向预应力选择合理，避免对主梁产生不利影响；⑤所需设备具有轻型化、便于操作、施工简单、安全可靠等特点[4]。

2.2 横向预应力加固方案

2015年施工单位对阴火铁路12座预应力混凝土简支梁桥进行了加固处理，主要跨度包括32 m预应力混凝土简支梁和8 m钢筋混凝土简支梁。其中，32 m跨度简支梁共计40孔，包含3孔设计图号为叁标桥2019和37孔设计图号为专桥2059，8 m跨度简支梁共计1孔，设计图号为专桥(88)1023。

依据桥梁检测和动、静载试验结果，阴火铁路12座桥梁加固内容为：双片并置结构横向加固联结、增设上翼缘滴水檐、更换桥面泄水管和封闭梁体表面裂缝。桥梁加固如图1所示，其中圆圈为横向预应力钢束加固位置。

图1 专桥2059加固设计

2.3 横向预应力加固工艺

对阴火铁路32 m简支梁桥横向加固时，按照以下步骤施工：

1)探测主梁腹板钢筋位置。利用钢筋位置探测仪对钻孔部位梁体内钢筋位置进行探测，保证钻孔位置处无普通钢筋和预应力钢筋。如遇钢筋，则钻孔孔位以设计孔位为圆心，在半径5 cm范围内移动，避开普通钢筋和预应力钢筋。

2)在横向预应力钢束孔位钻孔。预应力钢束钻孔外径为18.1 mm，水平普通钢筋钻孔直径根据钢筋直径确定。

3)锚固普通钢筋。采用FH-E131型或HIT-RE500型植筋胶将水平锚固钢筋(HRB400热轧带肋钢筋)植入腹板。

4)预紧钢筋。采用直径18 mm的 HRB400热轧带肋钢筋对梁体进行预紧，待植筋胶达到设计强度后每根预紧钢筋预紧力为20 kN。

5)安装横向预应力钢束。预应力钢束采用直径15.24 mm的1860级低松弛无黏结钢绞线。

6)安装模板。

7)横向预应力钢束初张拉。采用DSM15-1型低回缩单孔夹片锚固预应力钢束，初张拉力为39 kN。初张拉后立即浇筑C50普通硅酸盐混凝土。

8)横向预应力钢束终张拉。待混凝土强度达到80%后对其进行张拉，张拉分2步进行，每次张拉力均为195 kN，如图2所示。

图2 预应力钢束张拉施工

9)封锚和防水处理。采用C50钢筋混凝土进行封锚，新老混凝土结合处涂刷2道聚氨酯防水涂料。

3 铁路T梁横向预应力加固精细化分析

3.1 横向振动分析方法

桥梁横向加固前后，横向振动特性的变化可以反映加固效果。以下文献采用了不同的方法对加固效果进行分析：

1)赵如[9]利用实体有限元模型，采用子空间迭代法对预应力混凝土T梁的动力特性进行分析，将横向自振频率作为判定指标，分析了横隔板对于预应力混凝土T梁横向动力特性的影响。结果表明，随着横隔板厚度的增加，单跨简支梁横向一阶振动频率呈线性增长，横隔梁开裂对单跨简支T梁横向一阶自振频率影响非常大。

2)王新刚[10]利用有限元软件ANSYS分析双片T梁的加固效果，通过结构的固有频率和振型作为加固效果的判定指标。分析结果表明，横向刚度不足引起了横向振幅超限，增加2片T梁间的横向连接能够提高横向刚度。

3)孙涛等[11]对铁路预应力简支T梁纵向体外预应力加固采用手算的方式进行了计算分析，确定了锚筋和张拉控制应力。

4)李保龙[2]利用有限元软件MIDAS/Civil建立桥梁模型，通过定义不同时程函数来确定车辆水平力，从而计算不同速度下桥梁的横向振幅。分析结果表明梁体加固后可以减小5.6%的横向位移。

为了更好地分析铁路T梁横向加固效果，本文采用MIDAS/Civil对阴火铁路桥梁进行有限元分析，通过自振频率对桥梁横向振动特性予以评价。

3.2 有限元模型

阴火铁路DK11+947桥梁为4跨简支梁桥，梁体采用专桥2059。根据加固前后实际情况建立梁单元三维模型。

加固前，由于原横隔梁开裂，建模时对横隔梁截面尺寸进行了适当削减；加固后，横隔梁尺寸更改为原设计尺寸，并增加横向预应力横梁以及施加预应力。建模过程中考虑了墩底约束、桥梁支座约束、重力、桥面道砟、人行道荷载和横向预应力。为保证模型的准确性，通过调整支座约束刚度修正模型，使加固前桥梁自振频率与实测数据相同。

加固前桥梁模型包含522个节点，495个梁单元，全桥及T梁细部模拟如图3(a)所示。加固后模型包含522个节点，495个梁单元，全桥及T梁细部模拟如图3(b)所示。

图3 加固前后有限元模型

3.3 加固前后计算结果

加固前后桥梁第1阶横向自振频率见图4。可知：加固前后桥梁第1阶横向自振频率分别为3.46，4.16 Hz；加固后桥梁第1阶自振频率增加了20.2%，对于桥梁横向刚度提高效果显著。

图4 加固前后桥梁第1阶横向自振频率(单位：Hz)

4 横向预应力加固效果分析

4.1 加固后荷载试验

阴火铁路桥梁加固后，运管单位对部分桥梁进行了荷载试验。试验结果见表3。

4.2 横向预应力加固效果分析

1)加固前后桥梁自振频率

根据加固前后桥梁荷载试验结果，对比其自振频率见表4。

表3 加固后部分桥梁梁体跨中横向振幅及频率

表4 部分桥梁梁体跨中横向自振频率

根据模拟计算结果可知，DK11+947桥梁加固后1阶 横向自振频率提高了20.2%；现场荷载试验实测结果表明，该桥加固后1阶横向自振频率提高了26.6%。说明采用有限元模拟方法具有较高的准确性，能够满足实际加固工程的需要。

荷载试验结果表明：①横向预应力加固方法对于铁路简支T梁横向刚度具有明显提高，横向自振频率平均增加36.5%。②对于不同铁路线形、梁体形式、跨度和跨数，梁体横向自振频率提高4.1%～245.4%。③对于3跨简支梁桥，横向自振频率提高10%～20%；对于4跨简支桥梁，横向自振频率提高20%以上。

2)加固前后横向振幅

根据加固前后桥梁荷载试验结果，对比其横向振幅见表5。可知，对于同一片梁，采用横向预应力加固对横向振幅的降低有一定效果。其中，横向振幅平均降低9.9%，最大降低32.7%，部分桥梁横向振幅增大22.5%。

表5 部分桥梁梁体跨中横向振幅

5 结论

1)铁路简支T梁在运量增加、重载和提速后，存在桥梁横向刚度不足和横向振幅超限的现象。

2)对铁路简支T梁进行横向预应力加固后，在40 km/h 的速度内，桥梁的横向自振频率平均增加36.5%，横向自振频率提高4.1%～245.4%；桥梁横向振幅平均降低9.9%，最大降低32.7%。该加固方法显著提高了桥梁横向刚度，有效降低了横向振幅，改善了桥梁的工作性能。

3)通过调整桥梁支座刚度修正模型，并将计算结果与实测数据对比，发现二者吻合较好，说明有限元模拟方法具有较高的准确性。