既有线提速桥梁存在的主要问题与改造对策

一．概述
速度是现代交通运输的命脉。150多年的铁路发展史就是速度不断提高的历史。随着科学技术的进步和人们生活节奏的加快，交通运输工具的高速化已成为发展的总趋势。从铁路方面来看，面对航空和高速公路的竞争与挑战，列车速度也在不断地提高。但在既有线上提速，如何充分利用既有设备条件，通过对既有线进行部分改造来提高客、货列车的旅行速度，从而增加铁路交通运输的优势，这将成为今后一段时期内铁路运输的主要课题之一。
既有线改造所遇到的实际情况很多，改、扩建工程不尽相同，本文仅就桥梁改造进行剖析，找出症结，提出解决办法。为了确保提速后行车及桥梁运用安全，必须对桥梁设备危及行车安全、制约运营条件的项目进行技术改造和加强，提高桥梁承载能力及稳定性，以满足高速运营的要求。
二．问题的提出
根据铁道部“建设我国铁路快速客运网规划”的要求及沈阳铁路局“十五”提速规划，我院负责编制如下提速规划：长图线长春至吉林2003年140Km/h；长图线吉林至图们2005年120Km/h；梅集线梅河口至通化2005年120Km/h。长图线与梅集线均系日伪时期修建，是日本军国主义强占中国东北以后以扩大侵华为目的，由日本株式会社主持强迫中国劳工修建的一条低标准铁路，距今已有60多年的历史。桥梁设备陈旧老化，病害较多。在现有桥梁建筑物中，在30年代建成以及后经抢修使用的占70％以上，经过50年代、80年代改造的仅占20％以下。在今后铁路运输量日益增大、速度逐渐提高的情况下，这些旧的老龄桥能否继续安全使用，是人们极为关心的问题。更新一座老龄桥需要相当大的投资。显然对现有老龄桥的安全状况及剩余寿命进行科学的评估，以便既能充分发挥它们的潜力又能对需要更新或加固的老龄桥作有计划有步骤的更新加固，这对确保铁路运输的畅通和国民经济的顺利发展有重要意义。
三．既有线桥梁设备情况
长图线与梅集线现有桥梁229座，主要类型有上承钢板梁、工字钢梁、钢筋混凝土梁和板梁及个别的预应力钢筋混凝土梁等，桥梁跨度2.6-20m，有相当一部分为非标准梁。解放战争时期受到不同程度的破坏，部分地段中断，后经抢修复旧使用。建国后的大跃进年代及80年代初，又分别进行了部分线路改造和站场改造工程。所以桥梁情况比较复杂。部分桥梁陈旧老化，失格率达30％，这些桥梁多为外国殖民者所建，标准低，材质差，加之已使用多年，陈旧老化，钢梁疲劳裂纹；砖砌墩台强度低，严重风化剥落，虽然大部分已经包箍加固，但砖与包箍多数分离，不能共同受力，木桩基础由于地下水位下降，在空气中严重腐朽，承载力下降，尽管解放后已对许多桥梁进行了加固或改建，仍存在不少病害。主要表现在：钢梁主要杆件裂损，桥枕失效，钢梁油漆失效，钢梁承载能力不足，桥梁限界不足，桥梁孔径不足，圬工梁拱裂损，圬工梁漏水，墩台腐蚀松动，墩台不稳定，墩台浅基。
四．既有线提速桥梁存在的主要问题
1. 既有线桥梁病害的诊断？
2. 既有线桥梁疲劳剩余寿命的评估？
3. 速度提高对桥梁结构的动力影响？
4. 桥梁结构在随时间变化的荷载作用下其强度、刚度(竖向刚度及横向刚度)、稳定性能否满足现有规范标准要求？
5. 中小跨度的T型并置圬工梁是否需要横向加固？
6. 圬工梁橡胶支座如何限位？
7. 桥上钢轨接缝对桥梁动力作用如何？是否需要焊接或冻结？
8. 日伪时期修建的墩台及基础，使用年久，能否满足提速重载要求？
9. 桥上线路平面曲线及轨面不平顺对桥梁结构的动力影响？
五．理论分析与实践经验
当列车以较高的速度通过桥梁时，桥梁结构的变形与内力均与静止活载时的数值不同，其中增大的部分通称为动力作用。从车辆动力学的角度，铁路机车或车辆是由车体、转向架、轮对以及相互联系的弹簧所组成。列车在线路上运行时附带有一定的振动，列车带着这种初始振动状态进入桥梁，在桥梁上车体、轮轨及桥梁构成一个综合的动力体系。从产生动力作用的原因来划分，当列车通过桥梁时，引起动力作用的主要因素有下列几项：
1. 机车动轮不平衡部分的锤击作用。
2. 车辆以一定速度过桥的动力作用。
3. 轨面不平顺的影响。
4. 轮轨间蛇行运动。
5. 转向架荷载频率引起小跨度桥梁的共振作用。
6. 钢梁桥杆件的局部振动。
车辆以一定的速度过桥所产生的动力作用与车体质量、车速以及桥梁活载挠度有关。动力作用是随着车速的提高而增大。在铁路建设初期，限于当时的力学以及计算技术的水平，无法按理想的车桥系统进行动力分析，而采用简化的静力学分析方法。即不考虑车辆的速度，不计车辆簧上部分的振动，按静力平衡方程求解桥梁结构的内力和变形，然后乘上冲击系数表示动力影响。随着交通运输事业的发展，车速提高，跨度加大，必须搞清楚车辆高速通过时，桥梁结构的动力反映。
列车过桥，桥梁结构要出现竖向及横向振动。我国现有的标准设计的混凝土梁的竖向刚度能满足准高速列车运行的要求。货物列车及旅客列车通过时，总的趋势是振幅随着车速的增大而增加。当荷载的作用频率与梁的横向自振频率相接近时，可能出现较大的横向振动。我们应当从桥梁结构的动力强度、脱轨安全度以及舒适度三方面来判断一座桥梁的横向刚度是否足够。如果桥梁横向刚度不够，将引起较大的摇晃，使旅客或司机感到不舒适。借鉴广深、沪宁、京秦、沈山提速测试经验：对于非病害桥而言，既有线中小跨度钢梁与圬工梁强度、竖向刚度以及桥墩台能够满足“检规”和提速重载要求；既有线中小跨度圬工梁橡胶支座横向限位后能满足提速重载要求；既有线中小跨度上承式钢板梁横向刚度不能满足“检规”和提速重载要求。又如长大线K562＋595第二黑嘴子河桥，原为二孔33.5m下承式钢梁更换为二孔33.5m预应力混凝土后张T型梁。1998年8月30日，四平工务段在检查中发现桥梁横向晃动严重，横隔板发现裂纹，其中沈阳侧第一孔梁有9处裂纹，长春侧第二孔有12条裂纹，裂纹最大长度780mm。检定结果表明：横隔板刚度弱，失去了结构空间整体性应起的作用，造成根部出现裂纹。对横隔板进行横向预应力加固后，桥梁的横向振动得到了很大程度的抑制，符合“检规”要求，梁的整体工作性能良好。对未架设的33.5m预应力混凝土T型梁，主梁中心距由1.8m拉大到2.0m，将桥面板在现场连接在一起。
理论与实践表明：列车提速后，桥梁横向刚度不足问题明显。为此铁道部工务局以工桥（1996）24号文颁布了“既有线铁路桥隧设备（行车速度120－160Km/h）暂行技术条件明确提出了并置梁加固，即双梁式无横向联结的跨度大于等于12米的T型、工字型混凝土梁（普高或低高），必须在梁端及跨中增设横向联结”。引起桥梁横向振动的原因主要有：机车动轮偏心块的作用；轮轨间蛇行运动；轨面不平顺；列车上桥前的初始振动；桥梁结构的拼装误差(初弯曲或初偏心)。
六．既有线提速桥梁改造对策
（一）改造原则
扩能和提速相结合，病害严重桥梁应予以改造。
桥梁及墩台状态评估工作，是当今土木工程界世界发展的热点之一。这项工作是保证列车安全，减少事故隐患，评价既有线能否客运提速、货运重载的关键环节，可由科研院所或桥检队完成。既有线路客、货列车提速必将对桥梁的动力作用加大，设备劣化周期缩短，建议组织力量研究制定提速客、货列车区段线桥设备技术状态的检查方法、技术标准、维修保养要求等规章，以利于今后的科学管理，提高线桥质量，确保行车安全。为保证铁路尽量减少因更换桥梁而引起的经济损失，必须及早发现病害并对病害梁作出切和实际的评估，以确定病害产生的原因，病害程度和发展趋势，根据评估结果和经济比较选择修补、加固或更换等不同的对策。大连铁道学院与沈局合作，根据哈大电化的要求，完成了哈大线老龄钢梁桥的评估，有计划地进行了加固或改建，提高了桥梁承载能力，在安全运输和生产中发生了显著的社会和经济效益。
（二）改造措施
1. 增设复线区间的既有线改线地段的有关桥梁，结合线路平面线形改造按新建双线桥考虑。
2. 狠抓承载力不足桥梁的加固和改建，以适应机车车辆轴重的增加。
3. 对基础不明和浅基桥的探测和加固，对孔径不足的桥梁进行扩孔，以提高桥梁汛期的抗洪能力。
4. 对疲劳裂损的钢梁、混凝土梁及不稳定的墩台基础，抓紧加固或更换。
5. 重视钢梁桥的周期性大修，避免钢梁涂装及桥面集中失效。
6. 桥上线路：改善线桥衔接地段轨道的弹性，使其基本一致，避免列车带有初始振动状态上桥，是保证提速后列车平稳通过，降低轮轨动力，提高列车舒适性的重要条件；在桥上采用无缝线路，消灭接头，减轻列车荷载对梁的冲击；上承钢板梁桥桥头的平面曲线，使列车初始上桥状态恶化，横向振动幅值明显加大，需要加大曲线半径及缓和曲线长度，以改善上承钢板梁桥振动状态，保证提速客、货列车运行安全与乘客舒适度；桥上线路中线与梁跨中线的偏差，对钢梁、圬工梁来说，均不得大于50mm。超过规定时应进行检算，如影响承载能力或侵入限界时，则必须进行调整。
7. 钢梁：采用K型分开式扣件和新型钩螺栓对钢梁明桥面进行全面整治，在明桥面两端铺设5－15根大断面木枕，增强桥上线路的稳定性；小跨度陈旧钢梁(跨度<16m)按铁道部规划的对小跨度钢梁逐步改造的原则，改造为道碴桥面圬工梁；钢梁不得采用橡胶支座；竖向刚度：最大挠度不得大于L/1400；横向刚度：对于跨度小于100m的钢梁，水平自振周期T<=0.009L(S);
8. 圬工梁：增加圬工梁桥上线路的轨道弹性，保证道碴厚度或采用新型枕下弹性垫层，减少列车荷载的冲击，改善圬工梁的受力状态；更换无碴无枕圬工梁，采用有碴桥面，这样从路基到桥面或从桥面到路基的过渡，竖向、横向都能连续平稳，有利于铺设无缝线路；对既有线上无横向联系的并置梁进行加固，即在梁跨两端和跨中增设横隔板，保证其共同受力；对跨度大于12m，列车运行速度超过120Km/h的钢筋混凝土双梁桥进行横向加固，以加强这些桥两片梁之间的横向联结系，从而提高整体性；对采用板式橡胶支座的中小跨度桥梁进行支座横向限位，增加其横向稳定性，梁体横向位移不得大于2mm；竖向刚度：最大挠度不得大于L/1400；横向刚度：横向挠曲<=L/5000。
9. 墩台基础：目前既有线大部分桥墩台为重力式，列车提速后所受冲击影响较小，但对于技术状态不明的桥墩台和浅基桥墩台则需进行评判，以确定是否需要加固改造；对存在裂纹的桥墩台采取注浆封闭或包箍等措施进行加固。砖砌墩台及有严重病害的（不稳定、承载能力不足、浅基等）墩台基础，在提速前应进行加固或改造。
10. 桥梁避车台应加宽至距线路中心线3.5m，并将其数量增加1倍。
七．结术语
随着长吉高速公路、图乌公路和四白一级公路的开通运营，公铁竞争加剧，客流流向公路现象较严重，铁路客运量呈下降趋势，为增强铁路竞争能力，增进铁路运输效益，提速已势在必行。东北的冬季公路路面滑，乘坐火车比乘坐汽车安全系数更大，提速工程项目实施后，旅行时间缩短将会吸引更多的客流。因此，铁路提速是市场经济的需要。列车快速、舒适、安全行驶要求铁路桥梁必须具有足够大的刚度和良好的整体性，以防止桥梁出现较大挠度和振幅。一般来说，高速铁路桥梁设计主要由刚度控制，强度基本上不控制其设计。既有线提速，桥梁涉及到的问题较多，情况比较复杂，应区别对待，线、桥统筹分析。做好既有线提速桥梁测试、评估工作，新建、改造与加固相结合，以满足铁路提速重载的要求。