邹慧峰（哈尔滨铁路局齐齐哈尔工务段）

摘要:本文针对既有铁路桥梁梁体进行振动分析提出并置梁加固方案，论述了桥梁在列车提速后产生的，横向刚度不足等问题，提出了加固方案和相应的关键技术，以满足铁路提速运营后的安全性和舒适度要求。

关键词: 既有桥梁;横隔板;桥梁加固;施工技术

1、既有铁路桥梁振动分析

铁路线路客运允许速度从1OOkm／h，逐步提高到120km／h、140km／h、160km／h和200km／h，与此同时，货运由50km／h逐步提高到60km／h、80km／h、90km／h和1OOkm／h。铁路桥梁由于激励源是列车, 不仅垂直方向振动大, 而且蛇行波等引起的激励使水平方向的振动也非常大。横向振动会导致脱轨的严重后果。因此,如何避免发生共振现象是非常重要的。列车通过桥梁时, 当列车产生的作用力频率和桥梁的有载频率吻合时, 容易导致共振。如果车身不长, 作用时间短, 为瞬时的激励, 此时即使频率相吻合, 也较难达到共振; 而如果是货车或者客车, 作用时间一般长达十几秒甚至几十秒, 容易出现共振现象, 造成车辆和桥梁的危险。

1.1列车行车的激励

桥梁通过列车时, 采用净轴重常量移动载荷模型, 当列车以某一速度通过桥梁, 列车产生周期性的竖向激励, 则此激励的频率为

                               (1)

其中: v 为列车速度; lv 为列车车厢长; n 为振动阶数。

列车在水平向产生的蛇行波频率, 如为单轴转向架, 则水平向频率为

                (2)

其中:λ为车轮缘的锥度; b 为轨道间距的一半; r0 为车轮半径。在我国 K = 1/20, 轨道间距 2b= 1. 435 m , 客车轮径一般为 2r0 = 0. 915 m , 列车车厢长为 l= 26.576 m。如表 1 所示, 将不同的车速代入式(1)和式(2) , 得到不同车速下竖向和水平向的激励频率。将此频率与桥梁的频率进行对比, 如果很接近, 则意味着此速度下车桥体系处于共振范围, 比较危险, 应尽量避免在此速度下行车。

图1　不同列车时速引起的激励频率

1.2桥梁有载频率

桥梁的频率可由计算或者试验得到。不过一般得到的是自振频率, 此时桥梁上没有附加载荷; 当上面通过列车时, 由于附加了较大的质量, 得到的有载频率会比无载时的自振频率低, 此时达到共振时的列车激励的速度也降低了, 因此更容易达到共振。实际上真正引起桥梁共振, 导致危险的是有载频率。因此, 得到通过列车时的有载频率才能准确地分析车辆和桥梁的振动, 乃至评估其安全性。列车的重量由轮对传递桥梁, 可认为作用在桥上的是移动质量, 此时桥梁的有载频率是随着列车行进不停变化的值。一般都假定附加质量为静载, 得到某一瞬间的无载频率和有载频率的比值                       

               (3)

其中: fu 为无载频率; fL 为有载频率; m0 为桥上不附加列车质量时折合的总质量; mL 为通过列车时含附加质量折合的总质量; 根据不同的桥梁形式和通过列车的形式, 一般情况下k= 1. 15～ 1. 50。k 值不仅适用于桥梁的有载频率计算, 也适用于桥墩的振动特性, 由于桥墩的附加质量都在墩顶, 因此它的 k值相对于桥梁更大些。

1.3并置梁加固的必要

当桥梁和车辆无法改变时, 由于振动不可避免, 为了避免桥梁的振动过大, 针对不同病害，可以在桥墩支座处布设适当的阻尼器来增大桥梁阻尼比、更改墩台横向刚度及加固基础等控制桥梁振动的幅值。而在既有线上存在相当一部分中小跨混凝土梁，它们是由两片之间没有横向联结的或者横行连接较弱的并置梁组成。由于这些无横向联结双片或者横行连接较弱的并置铁路梁，空间整体工作性能差，横向刚度弱，在高速行驶列车的作用下，梁体产生较大的斜弯曲，同时，车辆转向架的蛇行运动激励又将引起桥梁横向振动的加剧，从而导致桥梁横向振幅增大，当横向振幅超出《铁路桥梁检定规范》的参考限值时，将严重影响提速后列车正常运营的安全性和舒适度。

此外，在无横向联结的混凝土梁上进行大修(如换枕)施工时，若在人行道上增加荷载，将会降低梁体的初始倾覆稳定系数，可能导致梁体的横向倾覆失稳（在京广线某桥的大修施工中已有发生）。《铁路桥涵设计基本规范》规定，梁体横向倾覆稳定系数不应小于1.3，是没有考虑支座缺陷和变形的，若同时存在支座缺陷或采用平板橡胶支座时，这些梁体横向倾覆失稳的危险性将更为严重。

2、并置梁加固

2.1 加固设计要求

梁体横向加固,主要是保证两片主梁成为整体结构 ,利于承受横向水平力及偏载等作用 ,提高梁体的抗扭能力。横向加固方案为在既有桥梁的横隔板内施加预应力横向连接。首先搭设作业平台 ,在桥梁横隔板位置施钻预应力筋孔道 ,焊接、 绑扎横隔板钢筋 ,安装波纹管及横向预应力筋 ,然后浇注横隔板混凝土 ,待混凝土达到设计强度的80 %时 ,张拉预应力钢筋 ,{zh1}进行管道压浆、 封锚。

(1)加固体系应为{yj}性结构，并尽量减少对原有结构的损伤。

(2)加固设计除保证横向刚度要求外，还应满足结构疲劳和耐久性的要求。

(3)桥梁加固后，改善结构受力性能，在动荷载作用下，满足《铁路桥梁检定规范》和提速后行车技术条件要求。

(4)加固工程的实施应不影响桥上线路的正常运营。

(5)当采用横向预应力时，应合理选择预应力大小，避免对主梁产生不利的影响。

2.2 并置梁加固工艺

2.2.1 梁体横向加固施工

(1) 搭设作业平台

在加固的梁片腹板之间撑上方木 ,铺上木板作为作业平台。梁片外侧需要进行张拉和封锚作业 ,如果搭设脚手架作业平台 ,则搭设高度较高 ,搭设位置较多 ,且作业时间不长 ,移动频繁。根据现场实际 ,在梁片外侧进行张拉和封锚作业时 ,采用吊篮作为作业平台(例如T梁作业平台 见图 2) ,将吊篮挂在既有桥梁人行步板支架上。

（2）凿除横隔板

采用电锤钻机凿除既有梁体内侧横隔板 ,并在新旧混凝土结合部位将梁体表面凿毛至露出石子 ,加固作业平台用水清洗干净,以使新旧混凝土连接牢固。凿除横隔板时应注意保留隔板内钢筋。横向预应力筋两端锚固部位的梁体外表面要进行打磨,以便锚具垫板与既有梁体密贴。

（3）测量钻孔位置

根据设计图纸及施工规范要求 ,测量出钻预应力钢筋孔的位置 ,再使用电子探测仪器探测钻孔处钢筋的情况 ,如果钻孔的位置有钢筋 ,则适当调整钻孔的位置 ,但移动距离不宜大于50 mm。调整孔位时兼顾到两片梁对应部位的预应力钢筋孔同时移动 ,以保证两片梁的孔位在同一轴线上 ,且轴线垂直腹板。

（4）钻孔

预应力筋孔位经过钢筋探测仪探测和调整后 ,用钻机钻预应力钢筋孔道 ,钻孔机用固定支架固定 ,钻孔中避免损伤预应力筋与主筋 ,并保证钻孔的水平度和垂直度 ,同时注意使两片梁的钻孔中心在同一直线上。钻孔完成后 ,孔内用水清洗干净。

（5）钢筋绑扎、 安装预应力钢筋及波纹管

在预应力钢筋孔以及新旧混凝土结合部位表面凿毛完成后 ,在梁片之间撑上方木 ,安装好模板底板。将保留的横隔板主筋与新梁主筋用电焊焊接 ,然后按照钢筋设计布置图绑扎钢筋 ,同时安置波纹管 ,然后将预应力钢绞线安装在波纹管内 ,使钢绞线垂直于梁片 ,{zh1}将其固定。

（6）安装模板

按横隔板的设计尺寸制作定型组合模板。模板具有足够的强度、 刚度和稳定性 ,能安全可靠地承受混凝土的重力、 侧压力;模板表面平整、 接合严密并便于拆卸;立模时留天窗 ,便于混凝土入仓。

（7）浇注混凝土

混凝土采用机械搅拌并加入早强型减水剂 ,人工灌注,小型振捣棒振捣。混凝土所用水泥为 525普通硅酸盐水泥 ,石子选用 5～20 mm的碎石 ,砂子采用中粗砂 ,坍落度以 5～7 cm 为宜。灌注混凝土前 ,在新旧混凝土的结合部位喷洒专用界面粘接剂并在模板上涂脱模剂。预留孔部位混凝土修补宜采用干硬性混凝土。当养护达到一定强度后 ,方可拆除模板。

（8） 张拉

张拉前首先进行张拉传力柱设计和制作 ,并对预应力钢筋进行冷拉后的时效处理。张拉工艺采用一端张拉 ,另一端锚具垫板外旋紧螺母。当混凝土强度达到设计值的 80 %时方可张拉,张拉前应对千斤顶、 油表、 油泵进行配套标定(更换千斤顶、 油表、 油泵的配件后必须重新标定 ,配套标定使用期为一个月) 。张拉时 ,先张拉跨中段 ,然后再张拉梁端段 ,每段两根预应力筋同时张拉。预应力筋张拉前 ,张拉缸需先顶出 50 mm ,张拉过程中 ,油泵进油要缓慢平稳 ,当张拉力达到预定的吨位后 ,锁紧螺母 ,即可顶压回油。

（9）孔道压浆、 封锚

从拌水泥浆到开始向孔道压浆 ,间隔时间不大于 40 min。在压浆前 ,水泥浆不断搅动 ,以防流动性降低。为保证孔道全部充浆 ,在水泥浆凝固前 ,塞子、盖子或气门不得移动或打开。水泥浆压注工作在一次作业中连续进行 ,并让出口处冒出废浆 ,直至不含水沫气体的浆液排出 ,其稠度与压浆的浆液稠度相同时停止(流出浆液的喷射时间不少于 11 s) 。然后应将所有出浆口和孔眼封闭 ,压浆端的水泥浆最小压力升至0. 7 MPa ,维持10 s。{zh1}采用细石混凝土封锚 ,封锚混凝土顶面做成流水坡 ,与既有混凝土结合部位涂刷 2～3 道防水涂料。

2.2.2 质量控制

(1) 凿除混凝土时 ,混凝土风化、 脱落、 裂损部分应凿除彻底。

(2) 提高混凝土的浇筑质量 ,确保其达到设计强度要求 ,外表要光滑、 平整、 无蜂窝,内部要密实、均匀。

(3) 在既有桥梁上施钻预应力钢筋孔时 ,应确保两片 T梁的孔道在同一轴线上。

(4) 张拉预应力钢筋时 ,应严格控制张拉力 ,确保达到设计规定的吨位。

(5) 混凝土新旧结合部位施工前喷洒专用界面粘接剂 ,施工后涂刷防水涂料。

按规定制作混凝土、 水泥浆试块及钢筋试件。

2.2.3安全保证措施

(1) 建立现场临时用电检查及管理制度 ,确保用电安全。

(2) 施工人员进入施工作业面进行施工操作时必须配带安全带 ,对所发放的安全带定期进行回收检查 ,发现问题及时更换 ,以保证安全。

(3) 施工作业吊篮定期检查 ,作业面的周围设置安全栏杆 ,并挂设安全网 ,以防止施工人员和物资跌落水中。

(4) 在施工作业吊篮的安装和拆除时要注意操作人员的安全互保,互相协作。

(5) 预应力钢筋张拉时 ,严格按规定程序执行防止预应力钢筋拉断或锚具、 垫片弹出伤人。

(6) 孔道压浆时 ,施工人员应戴防护眼镜 ,以免水泥浆喷伤眼睛。

(7) 施工人员进入施工现场必须配戴安全帽。

3、结 　 语

综合列车激励频率与桥梁有载频率分析,采用并置梁加固可很好改善列车激励频率与桥梁有载频率的共振问题。并置梁施工简单易行，只要按照施工工艺规定程序进行,满足设计及规范文件要求，即可达到很好加固效果。

通过哈尔滨铁路局多年对滨洲线、屯黎线等钢筋混凝土梁进行的并置梁加固试验。加固前后分别对加固梁进行静、动载试验。测试结果表明，加固前两片梁的横向振动相位不一致，横向振幅超过规范中的要求，同时跨中梁下翼缘内、外侧应变差较大，{zd0}超过40μm，因而应力相差不小，梁体呈明显的斜弯曲。用预应力筋进行并置梁加固后，两片梁的横向振动相位基本一致，横向振幅满足了规范要求。可见，桥梁横向整体性能明显改善，加固效果显著。因此，并置梁加固不但提高了桥梁的横向刚度、稳定性，而且满足铁路提速后的安全性和舒适度。

 参考文献

[1 ]沈志云. 关于高速铁路及高速列车的研究. 振动、测试与诊断, 1998, 18 (1) : 1～ 7

[2 ]李国豪. 桥梁结构稳定与振动. 北京: 中国铁道出版社,1992

[3 ]曾庆元, 郭向容. 列车桥梁时变系统振动分析理论与应用. 北京: 中国铁道出版社, 1999

[4]苏木标, 李建中, 邹振祝, 等. 高速铁路简支梁桥有载动力特性分析. 工程力学, 2002, 19 (3) : 137～ 142

[5 ]铁道部第三工程局. 铁路工程施工技术手册(桥涵). 北京:中国铁道出版社,1992.