既有重载铁路32 m预应力混凝土T梁斜截面疲劳作用分析

葛凯 李承君 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

重载铁路是满足牵引质量8 000 t及以上、轴重为270 kN及以上、在至少150 km线路区段上年运量大于40 Mt三项指标中两项的铁路［1］。重载铁路具有轴重大、牵引质量大、运量大的特点，且大多采用单元、组合等列车编组形式，一般为货运专线。

大秦铁路是我国第一条重载铁路和双线电气化运煤专用线，全长653 km，按国铁Ⅰ级客货共线铁路设计，桥涵设计活载为中—活载。自2005年以来，大秦铁路年运量和行车密度已连续位居世界第一，至2018年底总运量已达到60亿t［2］。

近年来，对大秦铁路桥梁结构进行的跟踪调研结果表明，伴随长编组、大轴重重载列车的开行和货运量的大幅提升，既有混凝土桥梁的劣化问题日益突出。针对预应力混凝土梁和中小跨度钢筋混凝土梁的正截面活载内力储备及抗疲劳性能问题已开展了较为充分的研究［3-5］。此外，后张法预应力混凝土简支梁腹板大量出现斜裂缝，与斜截面疲劳抗裂性能不足有关，病害的形成机理和对结构长期性能的影响尚未得到深入研究。据统计，大秦铁路桥梁结构形式主要为跨度24、32 m的后张法预应力混凝土T梁，其数量约占全部桥梁孔数的65%。病害梁型主要集中在设计图号为专桥2039/2040、专桥2059A/B的32 m简支T梁。另据调查，朔黄、神朔等重载铁路桥梁的相同梁型也有类似病害出现。

本文以大秦铁路跨度32 m预应力混凝土T梁（图号为专桥2040，直线）为研究对象，分析重车线列车移动荷载作用下典型截面的内力变化特征以及运营荷载作用下典型截面的主应力变化特征，为既有重载铁路混凝土梁斜截面疲劳抗裂机理的深入研究提供理论依据。

1 计算参数

大秦铁路2万t货运列车通常采用2辆HXD1机车牵引210节C80货车。为简化计算分析，对列车编组作适当截取，假定列车编组模式为2节HXD1+6节C80货车，荷载图式见图1。机车轴重250 kN，重车线货车轴重250 kN，轻车线轴重50 kN，HXD1机车双机联挂长70.496 m，6节C80货车编组长72 m。

图1 运营列车荷载图式（单位：cm）

运营恒载效应计入梁体永存预应力、自重和二期恒载作用。依据现场调研结果，道砟超厚按30 cm计算，梁体恒载按均布荷载计算。依据文献［6-7］，自重为32.55 kN/m，原设计二期恒载18.5 kN/m。另外计入运营阶段二期恒载增量如下：横向加固荷载1.848 kN/m、线路改造荷载5.46 kN/m、道砟超厚荷载12.76 kN/m。运营列车移动荷载动力系数取1.193 5。

依据TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》进行分析计算，采用运营列车荷载图式对梁体支点内侧，L/8、L/4、L/2（L为跨度）等典型截面的弯矩影响线和剪力影响线分别进行移动加载，以列车前部第1轴位于梁端支座中心处为起点，以0.1 m为步长依次向前移动，计算弯矩和剪力。再将运营恒载和活载单独作用产生的正应力和剪应力分别叠加，依据应力圆理论计算得出运营荷载组合作用下典型截面上倒角、中性轴和下倒角主拉应力和主压应力。

2 列车移动荷载作用特征

32 m简支梁重车线列车移动过桥产生的弯矩和剪力见图2。图中方框内线条对应C80货车作用。列车活载作用下不同截面内力最大值见表1。

图2 重车线列车移动荷载作用下典型截面的内力

表1 列车活载作用下不同截面内力最大值

由表1可见，重车线列车移动活载效应由满载货车控制且仍小于中—活载效应；因轻车线货车轴重仅为重车线轴重的1/5，轻车线列车移动活载效应由机车控制，且约为重车线的2/3。

32 m简支梁重车线C80货车作用下典型截面内力见表2、表3，弯矩幅值占比为当前步长级差对应活载弯矩与活载弯矩最大值的比值，剪力幅值占比为当前步长级差对应活载剪力与活载剪力最大值的比值。

表2 32 m简支梁重车线C80货车作用下典型截面弯矩

表3 32 m简支梁重车线C80货车作用下典型截面剪力

由图2、表2、表3可知：列车通过距离在67.58 m以前为机车作用，之后为货车作用；货车过桥时内力循环呈现出稳定的周期性变化特征，各截面内力的周期性变化并不同步，即不同截面内力极值对应轮位并不相同；货车过桥时各截面弯矩周期性变化呈现出大、小两种幅度循环，作用周期分别对应通过整列车和单节货车（12.0 m），弯矩幅值占比分别为100%和7.6%～19.9%；货车过桥时各截面剪力周期性变化分别呈现出大、中、小3种幅度的循环特征，作用周期分别对应通过整列车、单节货车和单个轮轴，剪力幅值占比分别为100%、33.6%～57.8%和8.6%～26.0%。

3 运营荷载疲劳作用特征

在自重、永存预应力、二期恒载等运营恒载产生的弯矩、剪力和轴力作用基础之上，随着运营列车的上桥移动，梁体腹板斜截面内的主拉应力与主压应力始终处于变化状态，且表现出一定的周期性特征。32 m预应力混凝土T梁重车线设计荷载与运营荷载作用下主应力最大值和最小值见表4。可知，设计荷载作用下，L/8、L/4截面主拉应力最大值分别为1.80、1.15 MPa，分别位于中性轴、下倒角，主拉应力最大幅值分别为1.63、1.09 MPa；主压应力最大值分别为-9.58、-9.71 MPa。运营荷载作用下，主应力大于设计荷载主应力，主应力幅值基本相当。运营荷载作用下，L/8、L/4截面主拉应力最大值分别为2.04、1.43 MPa，分别位于中性轴、下倒角，主拉应力最大幅值分别为1.61、1.27 MPa；主压应力最大值分别为-8.95、-10.49 MPa。可见L/8截面主拉应力状态更加不利，L/4截面主压应力状态更加不利。梁体设计采用C48混凝土，抗拉强度设计值fct=3.02 MPa，运营荷载作用下主拉应力最大值为0.675fct=2.04 MPa，已接近规范限值0.7fct；若考虑桥面二期恒载可能出现的额外超载，主拉应力将超过限值。

表4 重车线设计荷载和运营荷载作用下典型截面的主应力最大值和最小值

3.1 主拉应力变化

32 m预应力混凝土T梁重车线运营荷载作用下典型截面的主拉应力见图3和表5。图3方框内的线条对应货车作用。由表4、表5和图2、图3可知，在重车线运营荷载作用下货车过桥时不同截面主拉应力的周期性变化并不同步，相同截面不同位置主拉应力的周期性变化同步，主拉应力与剪力变化同步，各截面大幅度循环的主拉应力幅值占比为71.9%～88.8%；各截面中、小幅度循环的主拉应力幅值占比分别为32.9%～54.1%、9.6%～25.7%。

图3 重车线运营荷载作用下典型截面的主拉应力

表5 重车线运营荷载作用下典型截面的主拉应力

3.2 主压应力变化

32 m预应力混凝土T梁重车线运营荷载作用下典型截面的主压应力见图4和表6（见次页）。图4中方框内线条对应货车作用。由表4、表6和图2、图4可知，在重车线运营荷载作用下，货车过桥时不同截面主压应力的周期性变化并不同步，相同截面不同位置主压应力的周期性变化大体同步，主压应力与剪力变化大体同步，各截面大幅度循环的主压应力幅值占比为12.8%～43.7%；各截面中、小幅度循环主压应力幅值占比分别为2.0%～12.4%、0.5%～4.9%。

图4 重车线运营荷载作用下典型截面的主压应力

表6 重车线运营荷载作用下典型截面的主压应力

3.3 循环作用次数

以大秦铁路编组2辆HXD1牵引210节C80（轴重250 kN）的货运列车为例，每列满载列车牵引质量为1.68万t，年运量4.5亿t。经换算，每片梁年通过列车约26 645列，日运量约123万t，日通过列车约73列。综上所述，跨度32 m简支T梁每年经历的大、中、小幅度主应力循环次数大致分别为2.67万、560万、2 240万次；100年服役周期内经历的大、中、小幅度主应力循环次数大致分别为267万、5.6亿、22.4亿次。

假定某普通货运铁路开行列车轴重为230 kN，列车牵引质量4 000 t（约44节货车）、年运量4 000万t。经换算，每片梁年通过列车约13 140列，日运量约11万t，日通过列车约36列。以大秦铁路为代表的重载铁路简支梁承受的大、中、小幅度主应力循环次数大致分别为普通货运铁路梁的2、10、10倍，且前者梁体实际承受的主拉应力水平更高。

4 腹板斜裂缝成因分析

混凝土受拉疲劳累积损伤相关研究成果表明［8-9］，混凝土结构疲劳抗裂性能与混凝土抗拉强度、应力水平、加载历史以及荷载作用循环次数均有关。重载铁路32 m预应力混凝土T梁运营阶段主拉应力最大值已经超过设计值且接近甚至超过规范限值，运营阶段经历的主应力循环次数为普通货运铁路同类梁型的数倍，导致梁体的累积损伤显著增大。混凝土斜截面疲劳抗裂性能相对不足可能是既有重载铁路32 m预应力混凝土T梁腹板斜裂缝的主要成因。

5 结论

1）对于大秦铁路跨度32 m预应力混凝土T梁，梁上每通过整列车、单节货车便分别经历1次大、小幅度弯矩循环；梁上每通过整列车、单节货车、单个轮轴便分别经历1次大、中、小幅度剪力循环；正应力循环作用与弯矩变化同步，主拉应力和主压应力循环作用与剪力变化同步。

2）与普通货运铁路相比，既有重载铁路货运列车的轴重更大、编组更长、货运量更多，二期恒载远超设计水平，重车线梁体承受的主拉应力更高，在全寿命周期内经历的大、中、小幅度主应力循环次数分别大致相当于前者的2、10、10倍，重车线计算截面大、中、小幅度主拉应力幅值占比分别为71.9%～88.8%、32.9 %～54.1%、9.6%～25.7%。

3）梁体在运营阶段主应力循环作用下产生的疲劳累积损伤过大、斜截面疲劳抗裂性能相对不足可能是既有重载铁路32 m预应力混凝土T梁腹板斜裂缝的主要成因。梁体斜截面在运营阶段持续承受变幅值、变方向的双向拉压应力循环作用，梁体疲劳累积损伤的内在机理尚需深入研究。