既有線提速橋梁存在的主要問題與改造對策
一、概述速度是現(xiàn)代交通運輸?shù)拿}
150多年的鐵路發(fā)展史就是速度不斷提高的歷史。隨著科學技術的進步和人們生活節(jié)奏的加快，交通運輸工具的高速化已成為發(fā)展的總趨勢。從鐵路方面來看，面對航空和高速公路的競爭與挑戰(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備條件，通過對既有線進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輸?shù)膬?yōu)勢，這將成為今后一段時期內鐵路運輸?shù)闹饕n題之一。
既有線改造所遇到的實際情況很多，改、擴建工程不盡相同，本文僅就橋梁改造進行剖析，找出癥結，提出解決辦法。為了確保提速后行車及橋梁運用安全，必須對橋梁設備危及行車安全、制約運營條件的項目進行技術改造和加強，提高橋梁承載能力及穩(wěn)定性，以滿足高速運營的要求。
二、問題的提出
根據(jù)鐵道部“建設我國鐵路快速客運網規(guī)劃”的要求及沈陽鐵路局“十五”提速規(guī)劃，我院負責編制如下提速規(guī)劃：長圖線長春至吉林2003年140Km/h；長圖線吉林至圖們2005年120Km/h；梅集線梅河口至通化2005年120Km/h.長圖線與梅集線均系日偽時期修建，是日本軍國主義強占中國東北以后以擴大侵華為目的，由日本株式會社主持強迫中國勞工修建的一條低標準鐵路，距今已有60多年的歷史。橋梁設備陳舊老化，病害較多。在現(xiàn)有橋梁建筑物中，在30年代建成以及后經搶修使用的占70％以上，經過50年代、80年代改造的僅占20％以下。在今后鐵路運輸量日益增大、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，是人們極為關心的問題。更新一座老齡橋需要相當大的投資。顯然對現(xiàn)有老齡橋的安全狀況及剩余壽命進行科學的評估，以便既能充分發(fā)揮它們的潛力又能對需要更新或加固的老齡橋作有計劃有步驟的更新加固，這對確保鐵路運輸?shù)臅惩ê蛧窠洕捻樌l(fā)展有重要意義。
三、既有線橋梁設備情況長圖線與梅集線現(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別的預應力鋼筋混凝土梁等，橋梁跨度2.6-20m，有相當一部分為非標準梁。
解放戰(zhàn)爭時期受到不同程度的破壞，部分地段中斷，后經搶修復舊使用。建國后的大躍進年代及80年代初，又分別進行了部分線路改造和站場改造工程。所以橋梁情況比較復雜。部分橋梁陳舊老化，失格率達30％，這些橋梁多為外國殖民者所建，標準低，材質差，加之已使用多年，陳舊老化，鋼梁疲勞裂紋；磚砌墩臺強度低，嚴重風化剝落，雖然大部分已經包箍加固，但磚與包箍多數(shù)分離，不能共同受力，木樁基礎由于地下水位下降，在空氣中嚴重腐朽，承載力下降，盡管解放后已對許多橋梁進行了加固或改建，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，墩臺腐蝕松動，墩臺不穩(wěn)定，墩臺淺基。
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估？
3.速度提高對橋梁結構的動力影響？
4.橋梁結構在隨時間變化的荷載作用下其強度、剛度（豎向剛度及橫向剛度）、穩(wěn)定性能否滿足現(xiàn)有規(guī)范標準要求？
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.橋上鋼軌接縫對橋梁動力作用如何？是否需要焊接或凍結？
8.日偽時期修建的墩臺及基礎，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橋梁結構的動力影響？
五、理論分析與實踐經驗
當列車以較高的速度通過橋梁時，橋梁結構的變形與內力均與靜止活載時的數(shù)值不同，其中增大的部分通稱為動力作用。從車輛動力學的角度，鐵路機車或車輛是由車體、轉向架、輪對以及相互聯(lián)系的彈簧所組成。列車在線路上運行時附帶有一定的振動，列車帶著這種初始振動狀態(tài)進入橋梁，在橋梁上車體、輪軌及橋梁構成一個綜合的動力體系。從產生動力作用的原因來劃分，當列車通過橋梁時，引起動力作用的主要因素有下列幾項：
1.機車動輪不平衡部分的錘擊作用。
2.車輛以一定速度過橋的動力作用。
3.軌面不平順的影響。
4.輪軌間蛇行運動。
5.轉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。
車輛以一定的速度過橋所產生的動力作用與車體質量、車速以及橋梁活載撓度有關。動力作用是隨著車速的提高而增大。在鐵路建設初期，限于當時的力學以及計算技術的水平，無法按理想的車橋系統(tǒng)進行動力分析，而采用簡化的靜力學分析方法。即不考慮車輛的速度，不計車輛簧上部分的振動，按靜力平衡方程求解橋梁結構的內力和變形，然后乘上沖擊系數(shù)表示動力影響。隨著交通運輸事業(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，橋梁結構的動力反映。
列車過橋，橋梁結構要出現(xiàn)豎向及橫向振動。我國現(xiàn)有的標準設計的混凝土梁的豎向剛度能滿足準高速列車運行的要求。貨物列車及旅客列車通過時，總的趨勢是振幅隨著車速的增大而增加。當荷載的作用頻率與梁的橫向自振頻率相接近時，可能出現(xiàn)較大的橫向振動。我們應當從橋梁結構的動力強度、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，使旅客或司機感到不舒適。借鑒廣深、滬寧、京秦、沈山提速測試經驗：對于非病害橋而言，既有線中小跨度鋼梁與圬工梁強度、豎向剛度以及橋墩臺能夠滿足“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預應力混凝土后張T型梁。1998年8月30日，四平工務段在檢查中發(fā)現(xiàn)橋梁橫向晃動嚴重，橫隔板發(fā)現(xiàn)裂紋，其中沈陽側第一孔梁有9處裂紋，長春側第二孔有12條裂紋，裂紋最大長度780mm.檢定結果表明：橫隔板剛度弱，失去了結構空間整體性應起的作用，造成根部出現(xiàn)裂紋。對橫隔板進行橫向預應力加固后，橋梁的橫向振動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。對未架設的33.5m預應力混凝土T型梁，主梁中心距由1.8m拉大到2.0m，將橋面板在現(xiàn)場連接在一起。
理論與實踐表明：列車提速后，橋梁橫向剛度不足問題明顯。為此鐵道部工務局以工橋（1996）24號文頒布了“既有線鐵路橋隧設備（行車速度120－160Km/h）暫行技術條件明確提出了并置梁加固，即雙梁式無橫向聯(lián)結的跨度大于等于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橫向聯(lián)結”。引起橋梁橫向振動的原因主要有：機車動輪偏心塊的作用；輪軌間蛇行運動；軌面不平順；列車上橋前的初始振動；橋梁結構的拼裝誤差（初彎曲或初偏心）。
六、既有線提速橋梁改造對策
?。ㄒ唬└脑煸瓌t擴能和提速相結合，病害嚴重橋梁應予以改造。
橋梁及墩臺狀態(tài)評估工作，是當今土木工程界世界發(fā)展的熱點之一。這項工作是保證列車安全，減少事故隱患，評價既有線能否客運提速、貨運重載的關鍵環(huán)節(jié)，可由科研院所或橋檢隊完成。既有線路客、貨列車提速必將對橋梁的動力作用加大，設備劣化周期縮短，建議組織力量研究制定提速客、貨列車區(qū)段線橋設備技術狀態(tài)的檢查方法、技術標準、維修保養(yǎng)要求等規(guī)章，以利于今后的科學管理，提高線橋質量，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濟損失，必須及早發(fā)現(xiàn)病害并對病害梁作出切和實際的評估，以確定病害產生的原因，病害程度和發(fā)展趨勢，根據(jù)評估結果和經濟比較選擇修補、加固或更換等不同的對策。大連鐵道學院與沈局合作，根據(jù)哈大電化的要求，完成了哈大線老齡鋼梁橋的評估，有計劃地進行了加固或改建，提高了橋梁承載能力，在安全運輸和生產中發(fā)生了顯著的社會和經濟效益。
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1.增設復線區(qū)間的既有線改線地段的有關橋梁，結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，以適應機車車輛軸重的增加。
3.對基礎不明和淺基橋的探測和加固，對孔徑不足的橋梁進行擴孔，以提高橋梁汛期的抗洪能力。
4.對疲勞裂損的鋼梁、混凝土梁及不穩(wěn)定的墩臺基礎，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狀態(tài)上橋，是保證提速后列車平穩(wěn)通過，降低輪軌動力，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，橫向振動幅值明顯加大，需要加大曲線半徑及緩和曲線長度，以改善上承鋼板梁橋振動狀態(tài)，保證提速客、貨列車運行安全與乘客舒適度；橋上線路中線與梁跨中線的偏差，對鋼梁、圬工梁來說，均不得大于50mm.超過規(guī)定時應進行檢算，如影響承載能力或侵入限界時，則必須進行調整。
7.鋼梁：采用K型分開式扣件和新型鉤螺栓對鋼梁明橋面進行全面整治，在明橋面兩端鋪設5－15根大斷面木枕，增強橋上線路的穩(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)，有利于鋪設無縫線路；對既有線上無橫向聯(lián)系的并置梁進行加固，即在梁跨兩端和跨中增設橫隔板，保證其共同受力；對跨度大于12m，列車運行速度超過120Km/h的鋼筋混凝土雙梁橋進行橫向加固，以加強這些橋兩片梁之間的橫向聯(lián)結系，從而提高整體性；對采用板式橡膠支座的中小跨度橋梁進行支座橫向限位，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.墩臺基礎：目前既有線大部分橋墩臺為重力式，列車提速后所受沖擊影響較小，但對于技術狀態(tài)不明的橋墩臺和淺基橋墩臺則需進行評判，以確定是否需要加固改造；對存在裂紋的橋墩臺采取注漿封閉或包箍等措施進行加固。磚砌墩臺及有嚴重病害的（不穩(wěn)定、承載能力不足、淺基等）墩臺基礎，在提速前應進行加固或改造。
10.橋梁避車臺應加寬至距線路中心線3.5m，并將其數(shù)量增加1倍。
七、結術語
隨著長吉高速公路、圖烏公路和四白一級公路的開通運營，公鐵競爭加劇，客流流向公路現(xiàn)象較嚴重，鐵路客運量呈下降趨勢，為增強鐵路競爭能力，增進鐵路運輸效益，提速已勢在必行。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，提速工程項目實施后，旅行時間縮短將會吸引更多的客流。因此，鐵路提速是市場經濟的需要。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，高速鐵路橋梁設計主要由剛度控制，強度基本上不控制其設計。既有線提速，橋梁涉及到的問題較多，情況比較復雜，應區(qū)別對待，線、橋統(tǒng)籌分析。做好既有線提速橋梁測試、評估工作，新建、改造與加固相結合，以滿足鐵路提速重載的要求。
參考文獻：
1.《沈山線橋梁客、貨列車提速實驗報告》
2.華茂昆，等《鐵路科技新知識》，1995
3.孔詳仲。依靠科技進步實現(xiàn)既有線提速。鐵道建筑，9，2000
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