重载铁路既有涵洞加固及受力性能分析研究

赵明明

（国能朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司 山西原平 034100）

随着大轴重及长编组列车在我国重载铁路线的运营增加，混凝土盖板涵由于长期冲击作用所产生的病害问题日益严重，比如出现混凝土剥落掉块、开裂、露筋等[1]。除此之外，由于混凝土盖板涵的防水层损坏，导治湿气和雨雪渗水侵蚀混凝土内的钢筋，使病害产生发展严重，会增加重载铁路列车正常运营的安全隐患。重载铁路朔黄线涵洞病害如图1所示。

图1 朔黄铁路盖板涵病害示意图

1 加固措施

从涵洞病害处置、病害预防、周边环境、净空要求、交通需求、过水需求、加固效果、对线路的影响、施工周期及施工成本等各种因素考虑，比较现阶段各种加固方法，选取适合朔黄铁路涵洞的加固方法[2]，表1为各类加固方法比对。

表1 重载铁路涵洞加固方法比对表

对上表不同加固措施进行分析得出，应用波纹板加固方法与框构套涵加固能够将涵洞顶板结合为一个整体，能够有效提升涵洞的承载能力，消除单板受力情况，为重载铁路运输增加涵洞的安全储备。本文选取研究对象为朔黄铁路涵洞，通过建立计算模型进行有限元计算，将计算结果与现场实测数据进行对比分析，就涵洞横向联结受损以及单板受力情况，分析研究涵洞加固效果。

2 数值模拟分析

2.1 盖板涵现状

朔黄铁路799#涵洞为交通涵，盖板按照肆桥5009进行设计，采用C20钢筋混凝土，涵洞净宽5.0 m，净高5.0 m，涵长16.95 m。799#涵洞主要病害为盖板混凝土开裂掉块，钢筋保护层腐蚀脱落严重，盖板承载能力明显减小。涵洞横断面积盖板横断面设计如图2所示。

图2 朔黄铁路799#涵洞断面图和板梁断面设计图(单位：mm)

2.2 波纹板加固设计

朔黄铁路799#涵洞采用波纹板加固，净宽加固后减少20cm，净高加固后减少10cm。涵洞加固实景如图3所示。

图3 波纹板加固实景图

2.3 有限元模型建立

(1)模型及恒载

基于荷载-结构法建模原则，建立799#涵洞波纹板加固有限元模型，应用实体单元与弹性壳单元模拟，计算荷载由恒载和活载组成。恒载包括既有涵洞自重、波纹板注浆层自重、波纹板自重、轨道结构自重及土压力荷载。

(2)活荷载

朔黄铁路设计荷载为“中-活载”，目前重载列车为C64、C70和C80，轴重分别为210 kN、230 kN和250 kN，考虑后期运营轴重300 kN列车。因此，采用5种荷载图示进行分析。

根据《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）]中[3]规定，外荷载组合如下所示。主力组合为：自重+列车竖向静活载+列车竖向动力作用，附加力组合为：主力组合+制动力。

2.4 结果分析

在轴重为300kN列车荷载作用下，波纹板von mises等效应力云图如图4所示。

图4 波纹板Von mises应力云图

计算结果得出：中-活特种荷载图示作用下，轴重为250 kN时，列车主力组合作用下波纹板的最大MISS应力为24.3 MPa，附加力组合作用下波纹板的最大MISS应力为27.1 MPa；ZH特种荷载图示作用下，轴重为300kN时，列车主力组合作用下，波纹板的最大MISS应力为30.2MPa，附加力组合作用下波纹板最大的MISS应力为33.6 MPa；运营荷载车型为C64时，波纹板最大MISS应力分别为15.8 MPa，运营荷载车型为C70时，波纹板最大MISS应力分别为17.5 MPa，运营荷载车型为C80时，波纹板最大MISS应力分别为18.7 MPa，附加力组合作用下，波纹板最大MISS应力分别为18.6 MPa、20.3 MPa和22.4 MPa；均小于Q345钢材抗拉、抗压强度设计值。

3 试验数据

3.1 运营列车荷载图示

目前朔黄铁路主要运营列车为C64、C70和C80。C64列车车长为13.43 m，轴重为210 kN；C70列车车长为13.976 m，轴重为230 kN；C80列车车长为12 m，轴重为250 kN。

3.2 试验测点布置

朔黄铁路799#涵洞波纹板加固横向、纵向断面测点布置如图5所示。

图5 799#涵洞横向、纵向断面测点布置图

3.3 试验分析

朔黄铁路799#涵洞波纹板加固前后实测结果见表2。

表2 运营列车作用下测试结果

依据实测结果，对波纹板加固后799#涵洞进行分析，C64、C70与C80运营列车荷载作用下，涵洞盖板钢筋应力为加固前的46.34%，竖向位移为加固前的21.31%，应力、位移显著减小，结构刚度增加明显。考虑动力系数，将加固前后的实测最大挠度值进行换算，计算结果为中-活载作用下最大挠跨比分别为1/3326和1/16583，依据《铁路桥梁检定规范》竖向挠跨比通常值为1/4000[4]，加固前的挠跨比大于规定挠跨比通常值，加固后挠跨比远小于规范限值。

对实测结果进行分析，在C64、C70与C80运营列车荷载作用下，加固后涵洞顶部波纹板应力实测值均小于表2中理论计算结果值，结构校验系数分别为0.63、0.67和0.67，在模拟有限元计算分析时，未对周围填土产生的位移约束做详细模拟，理论计算结果会比实际值略显偏大[5-6]。但从实测结果加固前后数据结果分析，涵洞加固后的整体性显著提升。

4 结论

通过对既有存在病害钢筋混凝土涵洞，进行波纹板加固处理，建立有限元模型与实测应力及位移分析，应力与位移明显减小，涵洞刚度及承载能力显著提升。分析结果表明，采用波纹板方式加固后，线路稳定，优化了结构受力，整体性良好，增强了承载能力，加固方案切实可行。