既有重载铁路32 m预应力混凝土T梁运营性能检算评估

李承君 葛凯 袁磊 许见超 赵体波 荣峤 马宏亮

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

早在2012年底，我国铁路中年运量超过5 000万t的干线客货共线和货运专线已达84条［1］。目前既有干线主要开行轴重21 t和23 t、牵引质量5 000 t级的列车，大秦铁路和朔黄铁路主要开行轴重25 t C80、牵引质量1万t和2万t的重载列车。大秦货运专线铁路年运量目前已超过4亿t，大包、包兰客货共线铁路年运量已超过2亿t。

出于线路改造、病害整治和运营维护的需要，既有重载铁路的桥面轨枕和钢轨均已经过强化改造，双片并置式T梁经过横向加固，道砟层厚度普遍超限，导致既有重载铁路桥梁的运营恒载较原设计恒载显著增大。随着货运列车轴重、牵引质量及运量不断增加，既有重载铁路桥梁结构的劣化也日益严重。对大秦铁路桥梁的现场调研结果表明，钢筋混凝土梁和预应力混凝土梁均存在不同程度劣化，以钢筋混凝土梁耐久性病害、预应力混凝土梁沿管道纵向开裂（叁标桥2019）及梁端附近腹板斜向开裂（专桥2039/2040、专桥2059A/B）最为典型［2］。

文献［3-5］针对大轴重列车开行条件下既有铁路常用跨度简支梁运营活载与设计活载的关系进行了计算分析，从梁体活载效应（弯矩和剪力）储备的角度评估了不同跨度桥梁对不同类型重载列车的适应性。本文同时考虑实际运营阶段的梁体恒载效应与活载效应，对既有重载铁路上应用最广泛且开裂病害较为集中的跨度32 m后张法预应力混凝土T梁的抗裂性能和强度储备进行检算，评估梁体的运营性能，分析斜截面开裂的主要原因。

1 设计检算

1.1 检算对象

检算对象为跨度32 m后张法预应力混凝土简支T梁（单片），设计图号为叁标桥2019、专桥2039/2040及专桥2059A/B。每种梁型分别对直线梁和曲线外梁进行检算。检算内容包括设计荷载作用下梁体正截面最大弯矩、最大剪力、抗弯强度安全系数、抗裂安全系数以及斜截面最大主应力；运营荷载作用下梁体正截面最大弯矩、最大剪力、最大正应力、最小正应力以及斜截面最大主应力。检算截面包括支点内侧截面、变截面，以及L/16、L/8、3L/16、L/4、3L/8和L/2截面，L为桥梁跨度。正截面应力检算位置为梁体上缘和下缘，斜截面应力检算位置为腹板上倒角、中性轴和下倒角。

1.2 设计参数

梁体设计检算依据文献［6-8］进行，自重和原设计二期恒载设计参数按照文献［9］取值。各个检算梁型的32 m简支T梁均按全预应力结构设计。将原设计混凝土标号统一换算为强度等级，原500号混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量均按照C48混凝土依据TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》［7］取值内插得到。预应力钢束的计算强度取0.9倍极限抗拉强度，孔道直径5.0 cm，锚口、喇叭口摩阻损失按锚外控制应力的7%计，钢丝应力松弛系数0.08，锚头钢丝回缩及锚头变形按8 mm/（L/2）计。预应力损失计算依据TB 10092—2017附录D的规定考虑反向摩阻的影响。32 m预应力混凝土T梁设计参数见表1。

表1 32 m预应力混凝土T梁设计参数

梁体自重均转换为均布荷载进行计算。叁标桥2019、专桥2039/2040、专桥2059A/B三种梁型的自重恒载集度分别为33.01、32.55、33.2 kN/m，原设计直线梁、曲线外梁二期恒载集度分别为18.5、26.3 kN/m。

设计活载为中—活载。活载效应计入动力系数1+μ=1.1935，曲线梁检算按《铁路工程设计技术手册混凝土桥》［12］中计算方法计入偏载系数。假定线路超高不超过150 mm，曲线半径600 m，桥上轨道线路按平分中矢法布置。

1.3 运营活载及荷载组合

1.3.1 运营活载

运营活载按照HXD1机车牵引C80货车考虑，列车编组为2×HXD1+6×C80（满载）。其中牵引机车HXD1的轴重250 kN，C80货车的轴重250 kN（满载）。HXD1机车与C80货车的荷载图式见图1。

图1 运营列车荷载图式（单位：cm）

1.3.2 荷载组合

1）运营恒载

将梁体自重、原设计二期恒载、横向加固二期恒载增量、线路改造二期恒载增量和道砟超厚二期恒载增量均转换为均布荷载进行计算。现场调研结果表明，大秦铁路桥面道砟层厚度普遍达45～65 cm［2］，远超规范限值35 cm［8］。叁标桥2019、专桥2039/2040、专桥2059A/B三种梁型的横向加固二期恒载增量分别为1.863、1.848、3.629 kN/m；线路改造二期恒载增量均为5.46 kN/m；道砟层较原设计超厚分别按照10、20、30 cm计算，二期恒载增量分别为3.89、8.14、12.76 kN/m。

设计恒载（Design Dead Load）记为DDL，运营恒载（Operation Dead Load）记为ODL。

运营恒载分为5种：

ODL⁃1=DDL=自重+原设计二期恒载+永存预应力；

ODL⁃2=ODL⁃1+横向加固二期恒载增量+线路改造二期恒载增量；

ODL⁃3=ODL⁃2+道砟超厚10 cm二期恒载增量；

ODL⁃4=ODL⁃2+道砟超厚20 cm二期恒载增量；

ODL⁃5=ODL⁃2+道砟超厚30 cm二期恒载增量。

2）运营荷载

设 计 荷 载（Design Load）记 为DL，运 营 荷 载（Operation Load）记为OL。将设计活载与设计恒载相加得到设计荷载DL；将重车线运营活载分别与运营恒载ODL⁃1、ODL⁃2、ODL⁃3、ODL⁃4、ODL⁃5相加，得到相应的运营荷载OL⁃1、OL⁃2、OL⁃3、OL⁃4、OL⁃5。

2 检算结果与分析

2.1 设计荷载、运营荷载作用下梁体截面内力检算

以专桥2059B型直线梁和专桥2059A型曲线外梁为例，设计荷载、运营荷载作用下梁体跨中截面最大弯矩和支点内侧截面最大剪力检算结果见表2。可知：除OL⁃1外，其余运营荷载作用下跨中截面最大弯矩均已超过设计荷载作用下最大弯矩；除OL⁃1、OL⁃2外，其余运营荷载作用下支点内侧截面最大剪力均已超过设计荷载作用下最大剪力。

表2 设计荷载、运营荷载作用下梁体截面内力检算结果

2.2 设计荷载作用下截面受力检算

2.2.1 正截面受力性能

按照文献［6-8］检算设计荷载作用下跨中截面抗弯强度安全系数KM和抗裂安全系数Kf，检算结果见表3。

表3 设计荷载作用下跨中截面K M和K f检算结果

由表3可知：设计荷载作用下叁标桥2019直线梁跨中截面KM和Kf均不满足规范要求，专桥2039/2040梁和叁标桥2019曲线外梁Kf不满足规范要求，专桥2059A/B梁KM和Kf均满足规范要求。

设计荷载作用下跨中截面上缘最大正应力和下缘最小正应力检算结果见表4。可知：设计荷载作用下叁标桥2019梁和专桥2039/2040梁跨中截面下缘已出现拉应力，专桥2059A/B梁跨中截面下缘仍处于受压状态，各梁型跨中截面上缘最大压应力均小于0.5fc=0.5×32.1=16.05 MPa（fc为混凝土轴心抗压极限强度规范值），满足规范要求。

表4 设计荷载作用下跨中截面上缘最大正应力和下缘最小正应力检算结果 MPa

2.2.2 斜截面受力性能

设计荷载作用下斜截面最大主拉应力和最大主压应力检算结果见表5。

表5 设计荷载作用下斜截面最大主拉应力和最大主压应力检算结果 MPa

由表5可知：设计荷载作用下各梁型斜截面最大主拉应力均小于规范限值fct=3.02 MPa（fct为混凝土轴心抗拉极限强度规范值），最大主压应力均小于规范限值0.6fc=0.6×32.1=19.26 MPa。

2.3 运营荷载作用下截面受力检算

2.3.1 正截面受力性能

运营荷载作用下跨中截面上缘最大正应力和下缘最小正应力检算结果见表6。

表6 运营荷载作用下跨中截面上缘最大正应力和下缘最小正应力检算结果 MPa

由表6可知：叁标桥2019梁在OL⁃5作用下跨中截面上缘最大压应力超过规范限值0.5fc=0.5×32.1=16.05 MPa，在OL⁃2作用下跨中截面下缘已出现拉应力，且在OL⁃5作用下拉应力已超过fct=3.02 MPa；专桥2039/2040梁在OL⁃4作用下跨中截面上缘最大压应力超过规范限值，在OL⁃2作用下跨中截面下缘已出现拉应力；专桥2059A/B梁在OL⁃4作用下跨中截面上缘最大压应力超过规范限值，在OL⁃3作用下跨中截面下缘已出现拉应力。

2.3.2 斜截面受力性能

运营荷载作用下斜截面最大主拉应力检算结果见表7。叁标桥2019梁斜截面最大主拉应力位于变截面中性轴处，专桥2039/2040梁、专桥2059A/B梁斜截面最大主拉应力均位于L/8截面中性轴处。

表7 运营荷载作用下斜截面最大主拉应力检算结果 MPa

由表7可知：在OL⁃5作用下，叁标桥2019梁斜截面最大主拉应力为-1.28 MPa，未超过规范限值0.7fct＝0.7×3.02＝2.11 MPa；专桥2039/2040梁斜截面最大主拉应力为-2.25 MPa，超过规范限值2.11 MPa；专桥2059A/B梁斜截面最大主拉应力为-1.90 MPa，未超过规范限值2.11 MPa。

运营荷载作用下各梁型斜截面最大主压应力的检算结果均满足规范要求，不再列举。

运营荷载作用下专桥2039/2040梁斜截面主拉应力最大、专桥2059A/B梁其次、叁标桥2019梁最小，专桥2039/2040梁腹板厚度最薄（150～200 mm）、专桥2059A/B梁其次（160～210 mm）、叁标桥2019梁最厚（240 mm），可知主拉应力水平与腹板厚度密切相关。主拉应力检算值低于规范限值的专桥2059A/B梁同样存在斜截面开裂现象，重载铁路预应力混凝土梁主拉应力规范限值的合理性值得深入研究。腹板过薄、主拉应力过大是重载铁路运营阶段预应力混凝土T梁斜截面开裂的主要原因。

3 结论

1）既有重载铁路跨度32 m预应力混凝土简支T梁的运营恒载较原设计恒载显著增大，运营荷载作用下梁体截面内力已超过设计荷载作用下内力。

2）设计荷载作用下叁标桥2019梁跨中截面的抗弯强度安全系数和抗裂安全系数均不满足规范要求。专桥2039/2040梁跨中截面的抗弯强度安全系数满足规范要求，抗裂安全系数不满足规范要求。专桥2059A/B梁跨中截面的两项安全系数均满足规范要求。

3）设计荷载作用下叁标桥2019梁和专桥2039/2040梁跨中截面下缘出现拉应力，专桥2059A/B梁跨中截面下缘处于受压状态。各梁型跨中截面上缘压应力、斜截面主拉应力和主压应力均满足规范要求。

4）运营荷载作用下叁标桥2019梁、专桥2039/2040梁和2059A/B梁跨中截面上缘最大压应力均超过规范限值，且跨中截面下缘均出现拉应力。叁标桥2019梁、专桥2059A/B梁斜截面最大主拉应力均未超过规范限值；专桥2039/2040梁斜截面最大主拉应力超过规范限值。各梁型斜截面最大主压应力均满足规范要求。

5）既有铁路32 m预应力混凝土简支T梁均按照正截面不出现拉应力的全预应力结构设计，运营荷载作用下梁体正截面抗裂性能已退化为下缘受拉的部分预应力A类构件水平。若考虑桥面恒载额外超重、重载列车长期疲劳作用以及运营环境腐蚀作用，梁体有可能逐渐退化为正截面带裂缝工作的部分预应力B类构件。需要持续关注既有重载铁路混凝土梁服役状态，进一步研究加固改造的必要性与可行性。

6）运营荷载作用下重载铁路预应力混凝土梁主拉应力水平与腹板厚度密切相关。主拉应力规范限值的合理性值得深入研究。腹板过薄、主拉应力过大是运营阶段梁体斜截面开裂的主要原因。