郭洪春
(天津南环铁路维修有限责任公司，天津 300010)
摘 要：12 m低高度钢筋混凝土梁在既有铁路运输中占有相当比例，随着重载运输的发展，该类桥梁冲击振动加剧、梁体开裂现象严重。以12 m低高度钢筋混凝土梁为研究对象，采用有限元仿真分析和实桥静动载试验相结合的方法，对其强度、刚度以及动力特性等进行研究，结果表明该类桥梁竖向刚度及横向振动特性满足既有重载运输承载力要求、竖向强度安全储备不足，运营中应重点关注该类桥梁承载能力。
关键词：12 m低高度钢筋混凝土梁；重载运输；承载能力；静动载试验
12 m低高度钢筋混凝土梁因满足桥下净空、节省材料等特点，在我国前期铁路建设中得以广泛应用[1]。随着货物运输的不断发展，一些既有桥梁的设计标准已不满足日益加大的运输要求[2-3]；加之重载运输已成为我国货物运输的重点发展方向，其特点为：车辆轴重增大，运营密度增大，对小跨度桥梁承载力影响尤为重大[4]。现役12 m低高度钢筋混凝土梁普遍存在梁体竖向裂缝，为研究该类型桥梁对重载列车荷载的适应性，本文以金晶储运场铁路专用线排污河中桥为工程背景，采用有限元仿真分析与桥梁静动载现场试验相结合的方式，对其进行研究。为今后该类桥梁的承载力评定及维修加固提供技术支持。
金晶储运场铁路专用线排污河中桥中心里程为DK0+277.02，与污水河成45°斜交，全桥位于直线上，纵向坡度为平坡。该桥为7×12 m低高度钢筋混凝土梁，主梁图号为：叁桥1024。支座采用板式橡胶支座，固定支座设于金晶货场方向。桥墩采用钢筋混凝土矩形板式桥墩，桥墩和桥台基础分别为?1.0 m、?1.25 m的钻孔桩基础。在日常运营中该桥体出现大量竖向裂缝，使桥梁承载能力降低；此外该桥设计荷载为“中—活载”，目前桥上运营列车包括C64、C70以及C80等重载列车。重载列车通行条件下，该桥的承载能力是否满足要求需进行研究。于2016年4月对该桥的第1孔、第2孔进行了静动载试验，研究桥梁目前承载能力及裂缝对桥梁承载能力降低的影响。该桥一孔由两片并置梁组成，两片梁通过横向连接共同受力，梁截面如图1所示。
图1 12 m低高度混凝土梁截面图(单位：mm)
2.1 有限元模型介绍
应用结构设计有限元分析软件MIDAS/CIVIL建立桥梁模型，由于梁体存在竖向裂缝，为了更加精确的模拟结构的受力，采用三维实体单元和三维梁单元建立桥梁模型。混凝土采用三维实体单元，钢筋采用三维梁单元，建立虚拟梁单元模拟轨道进行实际加载，混凝土实体单元与梁单元的连接通过梁单元的节点与周围实体单元节点之间的刚性连接进行。建立模型过程中，做如下考虑：
(1)首先采用容许应力法计算混凝土受压区的高度，此时只考虑将钢筋换算成混凝土，忽略挡碴墙的影响。受压区钢筋直径较小且布置稀疏，计算时忽略受压区钢筋的影响[3]。
以跨中截面为例(如图1所示)，混凝土受压区高度计算方法为：首先计算受拉区钢筋的换算面积，桥梁采用混凝土标号350#，其弹性模量取32 GPa；受拉区钢筋为T20MnSi，其弹性模量为200 GPa，钢筋与混凝土的弹性模量比为6.25。假设受压区高度，然后根据受拉区、受压区对中性轴的面积矩相等得到换算截面受压区高度。
(2)混凝土受拉区在计算模型中的考虑方法。由于混凝土梁受拉开裂后，受拉区混凝土退出工作，在实体单元建立过程中，用受拉区混凝土刚度趋近零的方法模拟受拉区混凝土，而其重量采用实际值。经试算受拉区混凝土弹性模量取为实际值的千分之一与取值为实际值百分之一相比，跨中挠度相差小于5%，因此可以确定将受拉区混凝土的弹性模量取为实际值的千分之一，足以模拟受拉区混凝土的失效行为。桥梁有限元计算模型如图2所示。
图2 桥梁未开裂状态计算模型图
2.2 模型计算荷载
为研究列车轴重提高对该桥梁荷载效率的影响，有限元计算中施加了C64、C70、C80三种重载列车荷载(荷载施加如图3所示，各列车参数如表1所示)。为确定实验荷载施加了设计荷载(中—活载)以及HXN3机车+2辆C80重载列车荷载，HXN3机车荷载如图4所示，图5为跨中弯矩最大时实验荷载最不利的加载位置。
图3 运营重载列车活载图示
表1 运营重载列车活载参数表
车俩类型轴重F/t转向架轴距l1/m前后转向架轴距l2/m车厢临轴距l3/mC6421．01．756．903．03C7023．01．837．382．93C8025．01．836．371．97
图4 HXN3内燃机车轴重、轴距参数图(单位：mm)
2.3 计算结果
活载作用下桥梁控制截面内力及挠度计算结果如表2所示。
图5 试验列车最不利加载位置(单位：kN)
表2 活载作用下桥梁荷载效率统计表
荷载类型 跨中弯矩 数值/(kN·m)荷载效率 跨中挠度 数值/mm荷载效率中—活载2361．81．006．861．00C641486．90．634．530．66C701631．70．694．940．72C802031．20．865．970．87
由表2中数据可知随着重载列车的发展，列车轴重提高，转向架轴距变化，列车荷载效率提高较大，C70荷载与C64相比荷载效率提高6%，C80荷载与C70荷载相比荷载效率提高15%～17%，对桥梁承载力影响较大，桥梁承载力安全储备降低较快。
静载试验主要测试试验荷载作用下跨中截面钢筋及混凝土应力、跨中挠度。为研究混凝土开裂后梁体截面中性轴实际位置，在跨中截面沿梁高布置多个应变传感器。为研究左右两片梁协同受力性能，在两片梁对称位置分别布置挠度和应变传感器，静载试验具体测点布置如图6、图7所示。
图6 静态试验测点布置图
图7 静载跨中截面测点布置图(单位：mm)
3.1 静挠度分析
试验加载分3个循环，跨中挠度实测值如表3所示。
表3 跨中挠度实测值
加载工况 挠度值/mm 左片梁右片梁 校验系数 左片梁右片梁换算至中— 活载挠跨比 左片梁右片梁第1孔跨中第1循环3．693．720．6180．6231/28291/2806第2循环3．683．730．6160．6251/28371/2799第3循环3．723．730．6230．6251/28061/2799平均值3．703．730．6200．6241/28221/2801第2孔跨中第1循环3．403．410．5700．5711/30711/3062第2循环3．473．430．5810．5751/30091/3044第3循环3．463．470．5800．5811/30171/3009平均值3．443．440．5760．5761/30351/3035
由表3中数据可知，试验列车荷载作用下，第1孔跨中最大挠度为3.73 mm，挠度校验系数为0.625，换算至中—活载作用下挠跨比为1/2 799；第2孔跨中最大挠度为3.47 mm，挠度校验系数为0.581，换算至中—活载作用下挠跨比为1/3 009。均小于《铁路桥涵设计基本规范》规定的简支钢筋混凝土梁的竖向挠跨比容许值(1/800)，且均满足《铁路桥梁检定规范》通常值的要求(校验系数：0.55～0.65、挠跨比：1/1 900)，表明该类型梁在试验荷载作用下梁体刚度满足要求。左右两片梁挠度十分接近，第1孔最大相差1.3%，第2孔最大相差1.2%，表明梁体横向连接刚度较强，梁体协同受力能力良好。
主梁存在大量竖向和横向既有裂缝，最大宽度达1.50 mm以上，远超过规范限值0.3 mm要求，对桥梁结构耐久性及承载力造成严重影响。实测选取4条典型裂缝进行跟踪观测，试验列车荷载作用下，实测第1孔和第2孔跨中截面附近裂缝宽度扩展量在0.019～0.036 mm之间。
3.2 应力测试结果分析
试验荷载作用下，跨中截面梁底钢筋应力增量实测值见表4。实测跨中截面中性轴位置见表5。
由表4中数据可知，试验列车荷载作用下，实测跨中控制截面底板钢筋应力增量均小于理论计算值，第1孔跨中底板钢筋应力增量最大为33.68 MPa、校验系数为0.690，上翼缘混凝土应力增量最大为-0.92 MPa、校验系数为0.653；第2孔跨中底板钢筋应力增量最大为29.79 MPa、校验系数为0.610，上翼缘混凝土应力增量最大为-1.10 MPa、校验系数为0.783。第2孔跨中底板钢筋应力校验系数能够满足《桥检规》通常值的要求，第1孔跨中底板钢筋应力校验系数、上翼缘混凝土应力校验系数和第2孔跨中上翼缘混凝土应力校验系数均不满足《桥检规》通常值的要求(钢筋应力：0.55～0.65、混凝土上翼缘应力：0.45～0.55)。
表4 跨中截面应力增量实测值
加载工况 底板钢筋 应力/MPa校验系数 混凝土 应力/MPa校验系数第1孔跨中西侧梁东侧梁第1循环33．250．681-0．920．653第2循环33．680．690-0．640．457第3循环33．040．677-0．830．588平均值33．320．683-0．800．566第1循环28．870．592-0．760．542第2循环29．300．600-0．670．477第3循环28．870．592-0．760．542平均值29．010．595-0．730．520第2孔跨中西侧梁东侧梁第1循环26．600．545-1．040．735第2循环29．790．610-0．840．593第3循环26．390．541-1．100．783平均值27．590．565-0．990．704第1循环24．810．508-0．910．642第2循环28．870．592-0．570．405第3循环24．380．500-0．970．690平均值26．020．533-0．820．579
表5 中性轴位置表(距梁底高度) mm
梁别中性轴位置 第1孔跨中 实测值上移距离 第2孔跨中 实测值上移距离左片梁5145988456955右片梁5146018758167
由表5数据可知，试验列车荷载作用下，实测跨中截面中性轴均较理论中性轴上移，第1孔左片梁上移84 mm，右片梁上移87 mm；第2孔左片梁上移55 mm，右片梁上移67 mm，混凝土开裂后中性轴上移10.7%～16.3%，中性轴上移导致梁底应力增大，桥梁承载能力下降。
动载试验采用HXN3机车+6×C80满载重车+6×C80空车编组列车进行加载，编组列车以5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h(通行最高速度)速度通过桥梁结构，分别测试跨中底板钢筋动应力、跨中动挠度、跨中横向振幅、跨中横向加速度等振动参数，对桥梁结构的动力性能进行评判，振动测点布置如图8所示。
编组列车荷载作用下桥跨跨中横向振幅实测值与列车速度关系如图9所示。
图8 动载试验测点布置图
图9 跨中横向振幅实测数据分布图
由图9中数据可知，试验列车作用下，实测第1孔跨中横向振幅最大值为0.08 mm，第2孔跨中横向振幅最大值为0.09 mm，均满足《铁路桥梁检定规范》所规定的横向刚度通常值5%要求(≤0.95mm)和横向振幅安全限值5%要求(≤1.33 mm)。
编组列车荷载作用下桥跨跨中横向加速度实测值与列车速度关系如图10所示。
图10 跨中横向加速度实测数据分布图
由图10中数据可知，试验列车作用下，实测第1孔跨中横向振动加速度最大值为0.15 m/s2，第2孔跨中横向振动加速度最大值为0.19 m/s2，均满足《铁路桥梁检定规范》所规定的横向加速度限值要求(≤1.40 m/s2)。
实测第1孔横向振动耦合频率为5.06 Hz，第2孔横向振动耦合频率为5.06 Hz。
试验列车作用下，实测第1孔跨中动挠度动力系数最大值为1.07，第2孔跨中动挠度动力系数最大值为1.07，均满足《铁路桥梁检定规范》所规定的动力系数限值要求(≤1.29)。
试验动载作用下桥梁各振动参数均满足《铁路桥梁检定规范》要求。
(1)随着重载运输发展，12 m低高度钢筋混凝土梁列车荷载效率提高较大，C70荷载与C64相比荷载效率提高6%，C80荷载与C70荷载相比荷载效率提高15%～17%，桥梁承载力安全储备降低较快。
(2)静载试验结果表明，试验列车荷载作用下12 m低高度钢筋混凝土梁，跨中挠度校验系数满足《铁路桥梁检定规范》要求，桥梁竖向刚度满足要求，混凝土开裂后中性轴上移10.7%～16.3%，桥梁承载能力下降，梁体应力校验系数不满足《铁路桥梁检定规范》要求，竖向强度安全储备不足。
(3)动载试验结果表明：第1孔和第2孔跨中横向振幅、跨中横向加速度、动挠度动力系数均满足《铁路桥梁检定规范》的要求，第1孔、第2孔横向振动耦合频率均为5.06 Hz。
参考文献：
[1]贾晋中.铁路跨度12 m 低高度钢筋混凝土板梁桥试验研究[J].铁道建筑,2014(06)：20-23
[2]张二田.重载铁路超低高度梁安全运营性能研究[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2013,12(02)：25-30
[3]傅海堂,吴定俊,李 奇.铁路钢筋混凝土低高度梁刚度加固分析[J].结构工程师,2012,28(02)：149-153
[4]李保龙.重载运输条件下32 m预应力混凝土简支T梁加固方法研究[J].石家庄铁道大学学报,2016,29(02)：33-37
GUO Hongchun
( The Maintenance Co. Ltd. for the South Ring Railway of Tianjin City,Tianjin 300010,China)
Abstract：With the development of the heavy-load railway transport,the 12-m low-depth reinforced concrete beams occupy a comparatively large proportion of railway bridges in the transportation of existing railways.However,as the impact vibration of this type of beam bridges is increased, the beam bodies often crack seriously.With the 12-m low-depth concrete beam astheobjectofourresearch,thestrengthandstiffness,dynamicperformanceandthelikeofthebeamarestudiedbyboththefiniteelementsimulationanalysismethodandthelive-and-deadloadtestsofrealbridges.Theresultofourresearchshowsthattheverticalstiffnessandthetransversevibrationcharacteristicsofthebridgecanmeettherequirementsinthebearingcapacityofheavy-loadrailways,butthelongitudinalstrengthinstorageforsafetyisnotsufficient.Asaresult,inthecourseofoperation,greaterattentionshouldbepaidtothebearingcapacityofsuchbridges.
Key words：12-m low-height reinforced concrete beam;heavy-load transportation; bearing capacity;live and dead load tests
收稿日期：2017-01-05
作者简介：郭洪春(1969—)，男，高级工程师，主要从事铁路管理与维护工作。15833952282@163.com
DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.02.010
中图分类号：U446；U448.34
文献标识码：A
文章编号：1672-3953(2017)02-0036-05
联系客服
