袁偉 上海鐵路局建設管理處

既有鐵路預應力混凝土梁主要病害及加固探討

袁偉 上海鐵路局建設管理處

以某既有線病害橋梁改造項目為例，闡述該橋出現的主要病害，分析病害產生的原因，選取合理的加固方法并進行粗略的加固計算，為同類橋梁病害處理提供借鑒。

預應力混凝土梁；主要病害；原因分析；加固方案

1 概述

1955年，我國鐵路部門研制成功第一片跨度12m的預應力混凝土鐵路橋梁,1956年建成28孔24m跨的新沂河大橋，從而開始了預應力混凝土技術在我國鐵路上的應用。我國鐵路預應力混凝土梁標準設計經歷了4次較大的修改，即60年代～70年代中期預應力梁采用大138、大（65）138和叁標外橋006A標準圖；80年代采用叁標橋2019標準圖；90年代后采用專橋2059標準圖；自2001年起采用專橋（01）2051標準圖。由于設計、施工等方面的原因，原采用大138、大（65）138和叁標外橋006A標準圖設計的23.8m、31.7m預應力混凝土梁經過較長時間使用后普遍出現了橫向剛度不足、上拱度過大、有效預應力不足、沿預應力管道縱向裂紋等病害，隨之帶來了橋上道砟厚度不足、橋梁支座位移量超限、承載能力安全系數和抗裂安全系數下降、預應力筋銹蝕等一系列問題。下面以某既有線改造項目預應力混凝土梁為例，闡述該橋出現的主要病害，分析病害產生的原因，選取合理的加固方法并進行粗略的加固計算。

2 橋梁概況

該橋上部結構為7孔31.7m預應力混凝土T梁，橋上線路為直線平坡，設計圖號為叁標外橋006A，設計活載等級為中-22，由鐵三院設計，鐵道部第四工程局第四工程處施工，于1973年10月開工，同年11月底竣工，橋梁實景見圖1。

圖131.7m預應力混凝土T梁實景圖

3 橋梁主要病害

（1）該橋梁體橫向連接薄弱，整體性差，橫向剛度不足。

（2）該橋梁上拱度過大（各孔梁上拱度數據見表1,第4孔梁上拱度最大達122mm），導致梁跨中枕下道砟厚度小于0.25m，造成活載沖擊過大。

（3）該橋梁體有效預應力偏低，承載能力下降，梁體抗裂性能不能滿足規(guī)范要求。

（4）該橋梁體端部存在大量錨端裂紋，梁體腹板外側存在大量由梁端往橋跨中心延伸的沿預應力管道的縱向裂紋。

表1 各孔梁上拱度數據

4 病害分析

4.1 橫向剛度不足原因分析

由于當時設計水平有限，對橫向剛度認識不足，按當時規(guī)范設計的橋梁橫向連接較弱，整體性差，其次在長期運營荷載作用下，兩片T梁的豎向變位差和橫向過大振幅造成連接兩片梁體的橫隔板混凝土剝落，鋼板銹蝕，整體性和橫向剛度進一步降低。

4.2 上拱度過大原因分析

（1）早期規(guī)范對預施應力階段梁體預壓應力限值取值過高，造成梁下緣混凝土壓應力過大，而混凝土的徐變量與長期荷載作用下的應力值有關，當應力小于0.5Ra時徐變系數與應力之間有線性比例關系，若應力大于0.5Ra時徐變的增長比應力的增長快[5]。即早期規(guī)范對下式中徐變系數終極值φt=∞的認識不足，從而導致混凝土徐變量過大。

式中f預為終張拉時產生的上拱度值，f二期為架梁后道砟等二期恒載引起的撓度，φt=∞為徐變系數終極值。

（2）查閱該橋施工資料得知，該橋由于施工工期較短，為了縮短工期，施工單位在施工時使用了快硬水泥，添加了減水劑并采用高溫蒸汽養(yǎng)護，造成終張拉時梁體早期強度較高而相應彈性模量較低，加大了梁體的彈性變形；同時，由于未預設反拱，設計未對終張拉時混凝土的齡期作出規(guī)定，存梁時間過長，造成徐變上拱度增大。

4.3 梁體抗裂性能不足原因分析

（1）早期規(guī)范對預應力損失估計不足，特別是按照1975年及以前規(guī)范設計的橋梁，導致預應力損失過大，造成有效預應力不足。以叁標外橋006A標準圖為例，預應力筋標準強度1470MPa，按相應年代設計規(guī)范計算的跨中預應力筋預應力損失為451.1MPa，而按現行設計規(guī)范計算的跨中預應力筋預應力損失為524.3MPa，兩者相差為73.2MPa。

（2）設計未對終張拉時混凝土的齡期未作出規(guī)定，而且施工質量不高，導致混凝土抗拉強度偏低。

（3）上拱度過大引起預應力損失，導致有效預應力降低。

4.4 沿預應力管道的縱向裂紋原因分析

（1）早期規(guī)范對預施應力階段梁體壓預應力限值取值過高，而腹板厚度過薄，保護層厚度小，由此產生很大的橫向拉應力；而施工質量不高，粗骨料少，水泥漿多而導致收縮過大也是一個原因。

（2）設計未對終張拉時混凝土的齡期作出規(guī)定，導致混凝土強度偏低。

5 病害加固方案探討

該橋為干線鐵路橋梁，全橋如果換梁不僅施工難度大，費用高，而且影響鐵路運輸組織和運營安全。因此對該預應力混凝土病害橋梁需尋求一種簡單可靠且對運輸影響又小的加固方案。

5.1 橫向剛度不足加固方案

經過多年的研究與實踐，通過在既有橫隔板位置旁邊增設預應力鋼筋混凝土橫向聯(lián)結板的方式（如圖2所示）可以有效增加梁體的橫向剛度，從而有效解決梁體橫向剛度不足的問題，經計算該加固方式使每片梁恒載約增加3.59kN/m。

圖2 預應力混凝土T梁橫向加固示意圖

5.2 上拱度過大處理方案

上拱度超限導致梁跨中枕下道砟厚度不足，可以采取增加橋上道砟厚度的方式處理，增加道砟厚度引起的二期恒載可以通過加固提高豎向承載能力解決，假設橋上增加5cm厚度的道砟，將會使每片梁恒載增加1.94kN/m。

5.3 抗裂安全系數不足加固方案

橫向加固、道砟厚度增加、梁體有效預應力不足都會導致承載能力安全系數和抗裂安全系數的下降。經過計算，設計圖號為叁標外橋006A的31.7m直線梁，由于預應力損失等原因跨中截面承載能力安全系數和抗裂安全系數分別為1.954和1.09，《橋檢規(guī)》中規(guī)定預應力混凝土梁在主力作用下承載能力安全系數和抗裂安全系數分別不得低于1.9和1.15，由此可知梁的承載能力基本滿足要求，抗裂安全系數不足，因此應進行提高抗裂安全系數的豎向加固。

鐵路混凝土橋梁豎向加固常用的有粘貼鋼板、碳纖維加固、體外預應力等方法。碳纖維和粘貼鋼板加固方法是通過增加截面剛度來減小受拉區(qū)混凝土拉應力，從而提高抗裂安全系數。體外預應力加固方法是通過受拉區(qū)施加預應力從而產生一個預壓軸向力和預彎矩，屬于主動加固。因此本橋梁病害更適合采用施加體外預應力的加固方法，即在梁體內外兩側布置體外預應力束，錨固在梁體的腹板上，加固簡圖如下圖3所示。每片梁采用2×4根直徑17.8mm的預應力鋼絞線，對每根鋼絞線均施加150kN的預拉力,以平衡預應力損失及橫向加固、道砟厚度增加引起的二期恒載。加固計算中未考慮體外預應力的損失，數據如下表2所示，加固后跨中截面抗裂安全系數滿足現行規(guī)范要求。

表2 體外預應力加固簡要計算數據

圖3 體外預應力束豎向加固簡圖

以上加固計算只是理論上粗略的計算，由于此類橋梁病害較多，各種因素引起的預應力損失真實值較難掌握，預應力筋腐蝕情況及尚存預應力值等結構現有狀況了解不夠，因此具體加固的預應力鋼絞線截面積及預應力張拉值需采用靜載試驗數據并通過理論計算得出。

5.4 沿預應力管道的縱向裂紋處理方案

參考杜存山，祝和權[3]在青藏鐵路32m預應力混凝土梁預應力管道縱向裂紋的修補經驗，采用柔性環(huán)氧裂縫注漿材料封閉裂縫，以防止預應力鋼筋的腐蝕，并在混凝土表面涂防護涂料以提高橋梁的耐久性。

6 結束語

（1）掌握該類型橋梁的現有狀況特別是預應力筋的銹蝕狀態(tài)是進行該類橋梁的進行維修加固的基礎。

（2）由于該類橋梁徐變變形已基本完成，對其豎向加固所施加的體外預應力相對較小，施加體外預應力只會產生一個相對小的彈性上拱，可以不考慮體外預應力產生的新徐變變形。

（3）本文只是對該橋梁加固的粗略計算，對此類橋梁進行具體加固設計，需對橋梁進行全面檢測，了解結構的現有狀況，包括橋梁的強度安全系數及抗裂安全系數等，并要考慮體外預應力鋼束在轉向處的滑移及體外預應力鋼束的二次效應等。

（4）隨著我國鐵路的快速發(fā)展，運輸能力的不斷提升，該類橋梁的病害將會不斷出現，采用合理的加固方式處理該類橋梁病害，不僅施工簡單、費用低，而且對運輸影響小，具有很強的實用意義。

[1]王振華.我國鐵路預應力混凝土橋梁及標準設計的發(fā)展.鐵道標準設計. 2004（07）：149-158.

[2]劉椿.朱爾玉.朱曉偉.受腐蝕預應力混凝土橋梁受力檢算和試驗驗證.鐵道建筑.2005（12）：1-3.

[3]杜存山.祝和權.青藏鐵路32m混凝土后張梁裂縫修補材料的研究.涂料工業(yè).200838（8）：27-29.

[4]李萬成.混凝土梁病害整治.橋梁隧道病害整治文集.1994.

[5]嚴國敏.預應力鐵路簡支梁上拱度對橋梁運營的影響.橋梁隧道病害整治文集.1994.

責任編輯：許耀元 張建強
來稿日期：2013-12-19