既有線提速橋梁存在的主要問題與改造對(duì)策
2010-12-03 來源：網(wǎng)絡(luò)
一、概述速度是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)拿}
150多年的鐵路發(fā)展史就是速度不斷提高的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生活節(jié)奏的加快，交通運(yùn)輸工具的高速化已成為發(fā)展的總趨勢(shì)。從鐵路方面來看，面對(duì)航空和高速公路的競(jìng)爭(zhēng)與挑戰(zhàn)，列車速度也在不斷地提高。但在既有線上提速，如何充分利用既有設(shè)備條件，通過對(duì)既有線進(jìn)行部分改造來提高客、貨列車的旅行速度，從而增加鐵路交通運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，這將成為今后一段時(shí)期內(nèi)鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕n題之一。
既有線改造所遇到的實(shí)際情況很多，改、擴(kuò)建工程不盡相同，本文僅就橋梁改造進(jìn)行剖析，找出癥結(jié)，提出解決辦法。為了確保提速后行車及橋梁運(yùn)用安全，必須對(duì)橋梁設(shè)備危及行車安全、制約運(yùn)營(yíng)條件的項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)改造和加強(qiáng)，提高橋梁承載能力及穩(wěn)定性，以滿足高速運(yùn)營(yíng)的要求。
二、問題的提出
根據(jù)鐵道部“建設(shè)我國(guó)鐵路快速客運(yùn)網(wǎng)規(guī)劃”的要求及沈陽鐵路局“十五”提速規(guī)劃，我院負(fù)責(zé)編制如下提速規(guī)劃：長(zhǎng)圖線長(zhǎng)春至吉林2003年140Km/h；長(zhǎng)圖線吉林至圖們2005年120Km/h；梅集線梅河口至通化2005年120Km/h.長(zhǎng)圖線與梅集線均系日偽時(shí)期修建，是日本軍國(guó)主義強(qiáng)占中國(guó)東北以后以擴(kuò)大侵華為目的，由日本株式會(huì)社主持強(qiáng)迫中國(guó)勞工修建的一條低標(biāo)準(zhǔn)鐵路，距今已有60多年的歷史。橋梁設(shè)備陳舊老化，病害較多。在現(xiàn)有橋梁建筑物中，在30年代建成以及后經(jīng)搶修使用的占70％以上，經(jīng)過50年代、80年代改造的僅占20％以下。在今后鐵路運(yùn)輸量日益增大、速度逐漸提高的情況下，這些舊的老齡橋能否繼續(xù)安全使用，是人們極為關(guān)心的問題。更新一座老齡橋需要相當(dāng)大的投資。顯然對(duì)現(xiàn)有老齡橋的安全狀況及剩余壽命進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，以便既能充分發(fā)揮它們的潛力又能對(duì)需要更新或加固的老齡橋作有計(jì)劃有步驟的更新加固，這對(duì)確保鐵路運(yùn)輸?shù)臅惩ê蛧?guó)民經(jīng)濟(jì)的順利發(fā)展有重要意義。
三、既有線橋梁設(shè)備情況長(zhǎng)圖線與梅集線現(xiàn)有橋梁229座，主要類型有上承鋼板梁、工字鋼梁、鋼筋混凝土梁和板梁及個(gè)別的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁等，橋梁跨度2.6-20m，有相當(dāng)一部分為非標(biāo)準(zhǔn)梁。
解放戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期受到不同程度的破壞，部分地段中斷，后經(jīng)搶修復(fù)舊使用。建國(guó)后的大躍進(jìn)年代及80年代初，又分別進(jìn)行了部分線路改造和站場(chǎng)改造工程。所以橋梁情況比較復(fù)雜。部分橋梁陳舊老化，失格率達(dá)30％，這些橋梁多為外國(guó)殖民者所建，標(biāo)準(zhǔn)低，材質(zhì)差，加之已使用多年，陳舊老化，鋼梁疲勞裂紋；磚砌墩臺(tái)強(qiáng)度低，嚴(yán)重風(fēng)化剝落，雖然大部分已經(jīng)包箍加固，但磚與包箍多數(shù)分離，不能共同受力，木樁基礎(chǔ)由于地下水位下降，在空氣中嚴(yán)重腐朽，承載力下降，盡管解放后已對(duì)許多橋梁進(jìn)行了加固或改建，仍存在不少病害。主要表現(xiàn)在：鋼梁主要桿件裂損，橋枕失效，鋼梁油漆失效，鋼梁承載能力不足，橋梁限界不足，橋梁孔徑不足，圬工梁拱裂損，圬工梁漏水，墩臺(tái)腐蝕松動(dòng)，墩臺(tái)不穩(wěn)定，墩臺(tái)淺基。
四、既有線提速橋梁存在的主要問題
1.既有線橋梁病害的診斷？
2.既有線橋梁疲勞剩余壽命的評(píng)估？
3.速度提高對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響？
4.橋梁結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的荷載作用下其強(qiáng)度、剛度（豎向剛度及橫向剛度）、穩(wěn)定性能否滿足現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求？
5.中小跨度的T型并置圬工梁是否需要橫向加固？
6.圬工梁橡膠支座如何限位？
7.橋上鋼軌接縫對(duì)橋梁動(dòng)力作用如何？是否需要焊接或凍結(jié)？
8.日偽時(shí)期修建的墩臺(tái)及基礎(chǔ)，使用年久，能否滿足提速重載要求？
9.橋上線路平面曲線及軌面不平順對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響？
五、理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
當(dāng)列車以較高的速度通過橋梁時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力均與靜止活載時(shí)的數(shù)值不同，其中增大的部分通稱為動(dòng)力作用。從車輛動(dòng)力學(xué)的角度，鐵路機(jī)車或車輛是由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)以及相互聯(lián)系的彈簧所組成。列車在線路上運(yùn)行時(shí)附帶有一定的振動(dòng)，列車帶著這種初始振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入橋梁，在橋梁上車體、輪軌及橋梁構(gòu)成一個(gè)綜合的動(dòng)力體系。從產(chǎn)生動(dòng)力作用的原因來劃分，當(dāng)列車通過橋梁時(shí)，引起動(dòng)力作用的主要因素有下列幾項(xiàng)：
1.機(jī)車動(dòng)輪不平衡部分的錘擊作用。
2.車輛以一定速度過橋的動(dòng)力作用。
3.軌面不平順的影響。
4.輪軌間蛇行運(yùn)動(dòng)。
5.轉(zhuǎn)向架荷載頻率引起小跨度橋梁的共振作用。
6.鋼梁橋桿件的局部振動(dòng)。
車輛以一定的速度過橋所產(chǎn)生的動(dòng)力作用與車體質(zhì)量、車速以及橋梁活載撓度有關(guān)。動(dòng)力作用是隨著車速的提高而增大。在鐵路建設(shè)初期，限于當(dāng)時(shí)的力學(xué)以及計(jì)算技術(shù)的水平，無法按理想的車橋系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力分析，而采用簡(jiǎn)化的靜力學(xué)分析方法。即不考慮車輛的速度，不計(jì)車輛簧上部分的振動(dòng)，按靜力平衡方程求解橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，然后乘上沖擊系數(shù)表示動(dòng)力影響。隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，車速提高，跨度加大，必須搞清楚車輛高速通過時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反映。
列車過橋，橋梁結(jié)構(gòu)要出現(xiàn)豎向及橫向振動(dòng)。我國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的混凝土梁的豎向剛度能滿足準(zhǔn)高速列車運(yùn)行的要求。貨物列車及旅客列車通過時(shí)，總的趨勢(shì)是振幅隨著車速的增大而增加。當(dāng)荷載的作用頻率與梁的橫向自振頻率相接近時(shí)，可能出現(xiàn)較大的橫向振動(dòng)。我們應(yīng)當(dāng)從橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力強(qiáng)度、脫軌安全度以及舒適度三方面來判斷一座橋梁的橫向剛度是否足夠。如果橋梁橫向剛度不夠，將引起較大的搖晃，使旅客或司機(jī)感到不舒適。借鑒廣深、滬寧、京秦、沈山提速測(cè)試經(jīng)驗(yàn)：對(duì)于非病害橋而言，既有線中小跨度鋼梁與圬工梁強(qiáng)度、豎向剛度以及橋墩臺(tái)能夠滿足“檢規(guī)”和提速重載要求；既有線中小跨度圬工梁橡膠支座橫向限位后能滿足提速重載要求；既有線中小跨度上承式鋼板梁橫向剛度不能滿足“檢規(guī)”和提速重載要求。又如長(zhǎng)大線K562＋595第二黑嘴子河橋，原為二孔33.5m下承式鋼梁更換為二孔33.5m預(yù)應(yīng)力混凝土后張T型梁。1998年8月30日，四平工務(wù)段在檢查中發(fā)現(xiàn)橋梁橫向晃動(dòng)嚴(yán)重，橫隔板發(fā)現(xiàn)裂紋，其中沈陽側(cè)第一孔梁有9處裂紋，長(zhǎng)春側(cè)第二孔有12條裂紋，裂紋最大長(zhǎng)度780mm.檢定結(jié)果表明：橫隔板剛度弱，失去了結(jié)構(gòu)空間整體性應(yīng)起的作用，造成根部出現(xiàn)裂紋。對(duì)橫隔板進(jìn)行橫向預(yù)應(yīng)力加固后，橋梁的橫向振動(dòng)得到了很大程度的抑制，符合“檢規(guī)”要求，梁的整體工作性能良好。對(duì)未架設(shè)的33.5m預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁，主梁中心距由1.8m拉大到2.0m，將橋面板在現(xiàn)場(chǎng)連接在一起。
理論與實(shí)踐表明：列車提速后，橋梁橫向剛度不足問題明顯。為此鐵道部工務(wù)局以工橋（1996）24號(hào)文頒布了“既有線鐵路橋隧設(shè)備（行車速度120－160Km/h）暫行技術(shù)條件明確提出了并置梁加固，即雙梁式無橫向聯(lián)結(jié)的跨度大于等于12米的T型、工字型混凝土梁（普高或低高），必須在梁端及跨中增設(shè)橫向聯(lián)結(jié)”。引起橋梁橫向振動(dòng)的原因主要有：機(jī)車動(dòng)輪偏心塊的作用；輪軌間蛇行運(yùn)動(dòng)；軌面不平順；列車上橋前的初始振動(dòng)；橋梁結(jié)構(gòu)的拼裝誤差（初彎曲或初偏心）。
六、既有線提速橋梁改造對(duì)策
?。ㄒ唬└脑煸瓌t擴(kuò)能和提速相結(jié)合，病害嚴(yán)重橋梁應(yīng)予以改造。
橋梁及墩臺(tái)狀態(tài)評(píng)估工作，是當(dāng)今土木工程界世界發(fā)展的熱點(diǎn)之一。這項(xiàng)工作是保證列車安全，減少事故隱患，評(píng)價(jià)既有線能否客運(yùn)提速、貨運(yùn)重載的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可由科研院所或橋檢隊(duì)完成。既有線路客、貨列車提速必將對(duì)橋梁的動(dòng)力作用加大，設(shè)備劣化周期縮短，建議組織力量研究制定提速客、貨列車區(qū)段線橋設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的檢查方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、維修保養(yǎng)要求等規(guī)章，以利于今后的科學(xué)管理，提高線橋質(zhì)量，確保行車安全。為保證鐵路盡量減少因更換橋梁而引起的經(jīng)濟(jì)損失，必須及早發(fā)現(xiàn)病害并對(duì)病害梁作出切和實(shí)際的評(píng)估，以確定病害產(chǎn)生的原因，病害程度和發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)評(píng)估結(jié)果和經(jīng)濟(jì)比較選擇修補(bǔ)、加固或更換等不同的對(duì)策。大連鐵道學(xué)院與沈局合作，根據(jù)哈大電化的要求，完成了哈大線老齡鋼梁橋的評(píng)估，有計(jì)劃地進(jìn)行了加固或改建，提高了橋梁承載能力，在安全運(yùn)輸和生產(chǎn)中發(fā)生了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
（二）改造措施
1.增設(shè)復(fù)線區(qū)間的既有線改線地段的有關(guān)橋梁，結(jié)合線路平面線形改造按新建雙線橋考慮。
2.狠抓承載力不足橋梁的加固和改建，以適應(yīng)機(jī)車車輛軸重的增加。
3.對(duì)基礎(chǔ)不明和淺基橋的探測(cè)和加固，對(duì)孔徑不足的橋梁進(jìn)行擴(kuò)孔，以提高橋梁汛期的抗洪能力。
4.對(duì)疲勞裂損的鋼梁、混凝土梁及不穩(wěn)定的墩臺(tái)基礎(chǔ)，抓緊加固或更換。
5.重視鋼梁橋的周期性大修，避免鋼梁涂裝及橋面集中失效。
6.橋上線路：改善線橋銜接地段軌道的彈性，使其基本一致，避免列車帶有初始振動(dòng)狀態(tài)上橋，是保證提速后列車平穩(wěn)通過，降低輪軌動(dòng)力，提高列車舒適性的重要條件；在橋上采用無縫線路，消滅接頭，減輕列車荷載對(duì)梁的沖擊；上承鋼板梁橋橋頭的平面曲線，使列車初始上橋狀態(tài)惡化，橫向振動(dòng)幅值明顯加大，需要加大曲線半徑及緩和曲線長(zhǎng)度，以改善上承鋼板梁橋振動(dòng)狀態(tài)，保證提速客、貨列車運(yùn)行安全與乘客舒適度；橋上線路中線與梁跨中線的偏差，對(duì)鋼梁、圬工梁來說，均不得大于50mm.超過規(guī)定時(shí)應(yīng)進(jìn)行檢算，如影響承載能力或侵入限界時(shí)，則必須進(jìn)行調(diào)整。
7.鋼梁：采用K型分開式扣件和新型鉤螺栓對(duì)鋼梁明橋面進(jìn)行全面整治，在明橋面兩端鋪設(shè)5－15根大斷面木枕，增強(qiáng)橋上線路的穩(wěn)定性；小跨度陳舊鋼梁（跨度<16m）按鐵道部規(guī)劃的對(duì)小跨度鋼梁逐步改造的原則，改造為道碴橋面圬工梁；鋼梁不得采用橡膠支座；豎向剛度：最大撓度不得大于L/1400；橫向剛度：對(duì)于跨度小于100m的鋼梁，水平自振周期T<=0.009L（S）；
8.圬工梁：增加圬工梁橋上線路的軌道彈性，保證道碴厚度或采用新型枕下彈性墊層，減少列車荷載的沖擊，改善圬工梁的受力狀態(tài)；更換無碴無枕圬工梁，采用有碴橋面，這樣從路基到橋面或從橋面到路基的過渡，豎向、橫向都能連續(xù)平穩(wěn)，有利于鋪設(shè)無縫線路；對(duì)既有線上無橫向聯(lián)系的并置梁進(jìn)行加固，即在梁跨兩端和跨中增設(shè)橫隔板，保證其共同受力；對(duì)跨度大于12m，列車運(yùn)行速度超過120Km/h的鋼筋混凝土雙梁橋進(jìn)行橫向加固，以加強(qiáng)這些橋兩片梁之間的橫向聯(lián)結(jié)系，從而提高整體性；對(duì)采用板式橡膠支座的中小跨度橋梁進(jìn)行支座橫向限位，增加其橫向穩(wěn)定性，梁體橫向位移不得大于2mm；豎向剛度：最大撓度不得大于L/1400；橫向剛度：橫向撓曲<=L/5000.
9.墩臺(tái)基礎(chǔ)：目前既有線大部分橋墩臺(tái)為重力式，列車提速后所受沖擊影響較小，但對(duì)于技術(shù)狀態(tài)不明的橋墩臺(tái)和淺基橋墩臺(tái)則需進(jìn)行評(píng)判，以確定是否需要加固改造；對(duì)存在裂紋的橋墩臺(tái)采取注漿封閉或包箍等措施進(jìn)行加固。磚砌墩臺(tái)及有嚴(yán)重病害的（不穩(wěn)定、承載能力不足、淺基等）墩臺(tái)基礎(chǔ)，在提速前應(yīng)進(jìn)行加固或改造。
10.橋梁避車臺(tái)應(yīng)加寬至距線路中心線3.5m，并將其數(shù)量增加1倍。
七、結(jié)術(shù)語
隨著長(zhǎng)吉高速公路、圖烏公路和四白一級(jí)公路的開通運(yùn)營(yíng)，公鐵競(jìng)爭(zhēng)加劇，客流流向公路現(xiàn)象較嚴(yán)重，鐵路客運(yùn)量呈下降趨勢(shì)，為增強(qiáng)鐵路競(jìng)爭(zhēng)能力，增進(jìn)鐵路運(yùn)輸效益，提速已勢(shì)在必行。東北的冬季公路路面滑，乘坐火車比乘坐汽車安全系數(shù)更大，提速工程項(xiàng)目實(shí)施后，旅行時(shí)間縮短將會(huì)吸引更多的客流。因此，鐵路提速是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需要。列車快速、舒適、安全行駛要求鐵路橋梁必須具有足夠大的剛度和良好的整體性，以防止橋梁出現(xiàn)較大撓度和振幅。一般來說，高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)主要由剛度控制，強(qiáng)度基本上不控制其設(shè)計(jì)。既有線提速，橋梁涉及到的問題較多，情況比較復(fù)雜，應(yīng)區(qū)別對(duì)待，線、橋統(tǒng)籌分析。做好既有線提速橋梁測(cè)試、評(píng)估工作，新建、改造與加固相結(jié)合，以滿足鐵路提速重載的要求。
參考文獻(xiàn)：
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