周恩海 上海鐵路局工務(wù)處

1 引言

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在既有鐵路大量使用的8m跨度低高度鋼筋混凝土梁，限于當(dāng)時(shí)的施工條件等多種因素，普遍存在混凝土強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求、梁底存在橫向裂縫且向腹板及上翼緣發(fā)展、梁體抗彎承載能力不足、以及豎向撓度過大等病害，尤其是橋梁豎向撓度過大的問題較為突出，明顯降低橋上線路的平順性，影響行車安全。粘貼鋼板和體外預(yù)應(yīng)力等加固技術(shù)，在公路橋梁加固工程中已得到廣泛應(yīng)用，積累了許多成功經(jīng)驗(yàn)，并形成了較成熟的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)施工方法。然而此類加固技術(shù)在鐵路既有線橋梁加固中相關(guān)研究不多，應(yīng)用甚少。本文結(jié)合合九鐵路8m跨度低高度鋼筋混凝土梁的加固工程，通過有限元建模分析、設(shè)計(jì)方案比選、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)性工程驗(yàn)證，對(duì)粘貼鋼板和體外預(yù)應(yīng)力這兩種技術(shù)對(duì)梁體豎向剛度及承載力加固的理論和方法進(jìn)行了研究。

2 加固方案

鐵路合九線某橋上部結(jié)構(gòu)為11～8.0m低高度鋼筋混凝土梁（見圖 1），采用專橋（88）1024定型圖，于 1992年竣工。2010年9月經(jīng)鐵路檢測(cè)單位對(duì)梁體的測(cè)試結(jié)果表明：梁體混凝土質(zhì)量較差，評(píng)定強(qiáng)度為C30，低于原設(shè)計(jì)350號(hào)（相當(dāng)于C33）混凝土強(qiáng)度等級(jí)，梁底存在多條橫向裂縫且向腹板及上翼緣發(fā)展，梁體承載系數(shù)為0.97；DF4機(jī)車作用下的豎向動(dòng)撓度最大值達(dá)4.51mm，換算得到中—活載（靜活載）作用下第2孔梁跨中撓跨比為1/1558，大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（下稱“《檢規(guī)》”）規(guī)定的1/1900的豎向撓跨比通常值。由此可見，梁體承載能力和豎向剛度均已不能滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行加固處理。

圖1 8m跨度低高度鋼筋混凝土梁截面(單位：mm)

加固設(shè)計(jì)時(shí)，參考公路橋梁常用的體外預(yù)應(yīng)力和粘貼鋼板加固技術(shù)，提出了如下三個(gè)梁體加固方案：

方案一：腹板或梁底粘貼鋼板。即兩側(cè)腹板通長(zhǎng)粘貼290mm×8mm鋼板，或在梁底面粘貼770mm×8mm鋼板。

方案二：施加體外預(yù)應(yīng)力。每片梁擬采用4根直徑15.20mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線或直徑32mm精軋螺紋鋼，對(duì)每根預(yù)應(yīng)力鋼絞線或鋼筋均施加104.2kN的預(yù)拉力。施加預(yù)拉力大小的控制條件為橋上無(wú)列車活載時(shí)，梁體上緣混凝土不開裂。鑒于梁體結(jié)構(gòu)高度較小，故預(yù)應(yīng)力鋼筋無(wú)法采用常見的折線形布置，只能沿梁底面直線布置。

方案三：體外預(yù)應(yīng)力和粘貼鋼板綜合加固。每片梁擬采用4根直徑32mm精軋螺紋鋼筋，預(yù)拉力值與方案二相同，并在梁底面粘貼770mm×8mm鋼板。

3 加固方案的有限元計(jì)算分析

3.1 有限元模型

利用有限元軟件ANSYS對(duì)上述方案進(jìn)行加固效果分析。模型考慮擋碴墻開縫和模擬裂縫，根據(jù)模型與實(shí)測(cè)梁體剛度相等的原則，參照實(shí)測(cè)梁體裂縫分布情況，人為設(shè)置裂縫模擬開裂，使模型的跨中撓度計(jì)算值與加固前梁體實(shí)測(cè)撓度最大值相等。

對(duì)于粘貼鋼板方案，采用實(shí)體有限元線性模型模擬開裂后的鋼筋混凝土梁體，混凝土采用Solid65單元，普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用 Link8單元，以板殼單元模擬粘貼在梁體上的鋼板，并假定粘貼鋼板與混凝土完全變形協(xié)調(diào)。

對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力方案，考慮預(yù)應(yīng)力對(duì)裂縫閉合的作用，建立實(shí)體有限元非線性模型。模型運(yùn)用Solid65單元自動(dòng)模擬裂縫的開閉，并考慮預(yù)應(yīng)力筋與鋼筋混凝土梁體的聯(lián)合作用。

3.2 粘貼鋼板及體外預(yù)應(yīng)力方案

各加固方案的計(jì)算結(jié)果見表1所示。

表1 加固計(jì)算分析結(jié)果

由表可見，腹板貼鋼板的方案加固效果不顯著，跨中撓度較加固前僅降低5.32%，且上緣砼壓應(yīng)力超過受壓容許值（10MPa），不適合單獨(dú)采用；腹板和梁底均貼鋼板的方案加固后梁體跨中撓度降低23.56%，且上緣壓應(yīng)力為9.65MPa，滿足強(qiáng)度要求，加固后梁體仍滿足適筋條件；研究發(fā)現(xiàn)，梁體豎向剛度提高幅度與所貼鋼板的截面積近似成正比例關(guān)系，因此可根據(jù)這一關(guān)系合理選擇鋼板面積。

由表可見，精軋螺紋鋼筋加固方案對(duì)提高梁體剛度的效果達(dá)8.2%。與之相比，由于4根15.20mm鋼絞線的截面面積較小，在同等預(yù)拉力大小的情況下，鋼絞線方案對(duì)剛度的加固效果較差，僅為1.9%。與粘貼鋼板加固方案所不同的是，預(yù)應(yīng)力加固后梁體的總撓度會(huì)在原有基礎(chǔ)上降低1.44mm，上緣混凝土應(yīng)力及梁底鋼筋應(yīng)力都會(huì)減小，梁體處于安全狀態(tài)。

3.3 體外預(yù)應(yīng)力和粘貼鋼板綜合加固方案

基于線性實(shí)體有限元仿真模擬，針對(duì)體外預(yù)應(yīng)力同時(shí)粘貼鋼板的加固方案進(jìn)行了加固效果分析，得到以下結(jié)論：

（1）加固效果與底板或腹板所貼鋼板的截面積成正比例關(guān)系。在預(yù)拉力相等的情況下，預(yù)應(yīng)力筋對(duì)剛度提高的幅度與預(yù)應(yīng)力筋的截面積基本成正比。

（2）在開裂后的梁體上進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固和貼鋼板加固，其加固效果基本滿足線性疊加關(guān)系。

因此，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇貼鋼板和體外預(yù)應(yīng)力聯(lián)合加固的方案。

4 試驗(yàn)工程的設(shè)計(jì)與施工

為了從工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)加固效果，最終確定合理的加固方案，在合九線鐵路選取了4孔8m跨度低高度橋梁，用三種不同的方法進(jìn)行試驗(yàn)性加固。加固設(shè)計(jì)時(shí)，在有限元計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

對(duì)第1、2孔梁，采用施加縱向體外預(yù)應(yīng)力方法進(jìn)行加固，如圖2所示。在每片梁底部布置4根鋼絞線，并且對(duì)每根鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力110kN，施工時(shí)同一孔梁的八根鋼絞線同步張拉。預(yù)應(yīng)力筋采用直徑15.20mm鍍鋅低松弛鋼絞線，使用特制擠壓型錨具，固定端與張拉端采用工廠定制的鋼錨座，錨座通過種植高強(qiáng)錨栓（M20×170mm）與梁體底部連接。

圖2 第1、2孔低高度梁預(yù)應(yīng)力加固立面圖（單位：mm）

對(duì)第10孔梁采用粘貼鋼板加固方法，如圖3所示。每片梁底面粘貼3塊320mm×8mm×7500mm的Q235鋼板，鋼板與梁體用M10化學(xué)錨栓固定，采用A級(jí)膠進(jìn)行壓力法注膠，鋼板粘貼完畢后對(duì)外露面進(jìn)行涂裝保護(hù)。

圖3 粘貼鋼板加固（單位：mm）

對(duì)第9孔梁采用施加縱向體外預(yù)應(yīng)力與粘貼鋼板相結(jié)合的方法進(jìn)行加固，如圖4所示。梁體先施加體外預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力筋改用直徑32mm精軋螺紋鋼筋，張拉力不變；然后再進(jìn)行梁體粘貼鋼板加固，每片梁底板粘貼1塊460mm×8mm×5300mm的Q235鋼板，其他同第10孔梁鋼板粘貼工法。

圖4 預(yù)應(yīng)力+粘貼鋼板綜合加固（單位：mm）

5 加固效果測(cè)試分析

專業(yè)檢測(cè)單位對(duì)加固前后梁體的豎向撓度、鋼筋應(yīng)力變化、砼應(yīng)力變化等進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)對(duì)加固施工過程進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè)。從4孔梁試驗(yàn)工程的測(cè)試結(jié)果表明：

（1）采用體外預(yù)應(yīng)力（鋼絞線）加固的第1、2孔梁上緣混凝土應(yīng)力減少4.9%，張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)梁底鋼筋應(yīng)力減少23.2MPa，加固后梁體裂縫擴(kuò)展度減少26.8%，表明施加體外預(yù)應(yīng)力對(duì)受壓區(qū)混凝土應(yīng)力和受拉鋼筋應(yīng)力釋放、減小梁體裂縫的擴(kuò)展度作用較為明顯。

但加固后梁體的豎向剛度提高幅度為14.3%，效果不顯著，且加固后梁體撓跨比為1/1830，其剛度仍不滿足《檢規(guī)》規(guī)定的撓跨比不大于1/1900的要求。

（2）分別采用“體外預(yù)應(yīng)力+粘貼鋼板”綜合加固和粘貼鋼板加固的第9、10孔梁，實(shí)測(cè)跨中最大撓度較加固前分別減小19.8%和22.8%；加固后第9、10孔梁換算至靜中—活載撓跨比分別為1/2568和1/2366，小于《檢規(guī)》規(guī)定的1/1900的豎向撓跨比通常值，表明梁體的豎向剛度已滿足《檢規(guī)》要求。

（3）外貼鋼板通過膠黏劑與梁體良好結(jié)合，已完全參與梁體的共同作用。加固后第9孔左右片梁實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力較加固前分別減小了26.3%和24.4%，第10孔梁分別減小了29.2%和31.2%，加固效果明顯。第9孔梁的剛度提高共有兩部分組成，其中體外預(yù)應(yīng)力鋼筋提高12.8%（貢獻(xiàn)率約為69%），粘貼鋼板提高5.8%（貢獻(xiàn)率約為21%）。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用體外預(yù)應(yīng)力的加固方法，對(duì)于釋放受拉區(qū)混凝土應(yīng)力、閉合梁體裂縫有積極作用，豎向剛度和承載力也有一定程度的提高。但是對(duì)于低高度鋼筋混凝土梁，因其結(jié)構(gòu)高度小，故加固中施加的預(yù)應(yīng)力水平較低，使得加固效果受到較大限制。

（2）對(duì)于粘貼鋼板加固方法，理論和實(shí)測(cè)均表明加固效果較好，施工相對(duì)簡(jiǎn)便。設(shè)計(jì)要求粘貼鋼板加固后梁體仍需滿足適筋條件，故此方法對(duì)于梁體剛度的提高幅度受粘貼鋼板的最大截面積制約。

（3）“體外預(yù)應(yīng)力+粘貼鋼板”的綜合加固方法，綜合了預(yù)應(yīng)力對(duì)提高梁體剛度、降低混凝土壓應(yīng)力、減小裂縫寬度的優(yōu)勢(shì)，以及粘鋼對(duì)增大梁體剛度的補(bǔ)充作用，采用該方法可以通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力度和粘鋼面積，靈活控制加固效果，這是一種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的理想加固方案。但該方法也存在施工工藝較復(fù)雜、工程造價(jià)較高的不足。