孫鐵盾

(上海鐵路局工務(wù)處， 上海 200071)

合九鐵路梅林中橋粘鋼加固技術(shù)研究與應(yīng)用

孫鐵盾

(上海鐵路局工務(wù)處， 上海 200071)

結(jié)合合九鐵路梅林中橋加固試驗工程，研究粘鋼加固技術(shù)對于提高鐵路小跨度低高度鋼筋混凝土梁豎向剛度的可行性。通過ANSYS有限元建模分析、理論計算、工程試驗及加固測試，證明粘鋼加固技術(shù)可有效提高鐵路小跨度低高度混凝土梁的豎向剛度，具有施工便捷、費用經(jīng)濟(jì)、對鐵路運輸干擾少的特點，可為同類病害橋梁的加固設(shè)計與施工提供參考。

低高度；鐵路橋梁；豎向剛度；粘鋼；有限元

1 工程概況

合九鐵路梅林中橋全長105 m，上部結(jié)構(gòu)為11孔8.0 m低高度鋼筋混凝土梁，于1992年竣工。該橋梁底存在多條橫向裂紋，且有向腹板及上翼緣發(fā)展趨勢，導(dǎo)致梁體豎向撓度大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的1/1900的豎向撓跨比通常值。為提高梁體豎向剛度，選取該橋第10孔(2片)低高度鋼筋混凝土梁進(jìn)行試驗性加固。加固方案如圖1所示。

圖1 試驗梁截面示意(單位：mm)

每片梁底板粘貼3塊320 mm×8 mm×7 500 mm鋼板，采用日本SHO-BOND公司環(huán)氧基樹脂粘結(jié)劑GROUT進(jìn)行壓力注膠，并用化學(xué)錨栓固定。

2 基于實體有限元計算分析

2.1 有限元模型

加固前梁體模型為考慮擋碴墻開縫和模擬裂縫的實體有限元線性模型，如圖2所示。

圖2 實體有限元線性分析模型

模型在DF4機(jī)車靜活載作用下跨中撓度為4.16 mm，而加固前實測橋梁跨中動撓度最大值為4.50 mm，扣除動力系數(shù)1.1的影響后，實測最大靜撓度為4.09 mm，說明可較好地模擬加固前的豎向剛度。

2.2 有限元計算

通過有限元建模計算分析，加固效果見表1。

表1 粘貼鋼板加固效果分析

由計算結(jié)果分析可知：

①加固效果明顯，跨中撓度較加固前降低16.87%，豎向基頻提高8.59%。

②豎向基頻提高率約為撓度降低率的一半，符合力學(xué)原理。

2.3 梁體適筋情況檢算

粘鋼加固后，可能使梁體超筋，為此需要進(jìn)行驗算。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367—2006)可知

fcbx=fsdAs+EspεspAsp

加固鋼板的拉應(yīng)變按下式確定

εsp=εcu(βh-x)/x-εc1(h-x1)/x1

εc1=Md1x1/EcIcr

得到

250.2 mm

可知受壓區(qū)高度在上翼緣厚度內(nèi)，從而得到截面的相對受壓區(qū)高度

ξ=x/h0=250.2/496=0.5

滿足條件

ξ=0.5≤ξb=0.8/(1+300/0.003 3Es)=0.55

貼底板鋼板加固后的梁體為適筋構(gòu)件。上述計算并未考慮受壓區(qū)鋼筋的作用，若計入受壓區(qū)鋼筋的作用，受壓區(qū)高度將會更小，所以上述計算是偏安全的。

3 加固施工

3.1 施工工藝

粘貼鋼板加固工法是使用混凝土錨栓將裁減好的鋼板固定在橋梁底面，保證鋼板與梁底面有2～3 mm的空隙，然后用SHO-BOND密封膠沿鋼板邊緣進(jìn)行密封，最后通過預(yù)留的注入口注入灌鋼膠，實施補強的施工工藝。施工流程：梁底表面處理—鉆孔并安裝錨栓—鋼板除銹、鋼板防腐涂裝—安裝鋼板—鋼板邊緣密封作業(yè)—灌膠作業(yè)—養(yǎng)生—鋼板最后一道面漆涂裝。

3.2 施工技術(shù)

粘貼鋼板加固工法，技術(shù)關(guān)鍵點是保證在列車動荷載作用下鋼板能通過結(jié)構(gòu)膠與梁體粘結(jié)牢靠，從而形成整體共同受力。要達(dá)到這種加固效果，就需要施工技術(shù)和材料特殊性能的保障。

(1)施工技術(shù)要求

①混凝土表面處理，保證混凝土表面潔凈、干燥和平整；②鋼板安裝前，要進(jìn)行除銹和粗燥處理；③保證鋼板和梁底混凝土之間的空隙為2～3 mm；④壓力注膠，必須保證鋼板與梁體之間的空隙膠體填充密實、飽滿；⑤膠體養(yǎng)生的環(huán)境溫度不得低于5 ℃。

(2)材料性能要求

為了保證鋼板灌注膠在列車動荷載作用下仍能正常凝固，且達(dá)到預(yù)期要求的粘結(jié)強度，就要求該結(jié)構(gòu)膠具有適度的柔韌性，對外力的沖擊和振動有一定的追隨性，且結(jié)構(gòu)膠硬化后不能收縮，以上性能是保證粘鋼加固工藝能實現(xiàn)不中斷行車的關(guān)鍵。

SHO-BOND GROUT是一種雙組分的環(huán)氧基樹脂粘結(jié)劑，有優(yōu)越的性能和強大的粘結(jié)力，能在動荷載作用下正常凝固，且達(dá)到預(yù)期要求的粘結(jié)強度。

4 加固測試

加固前后試驗梁實測跨中最大撓度對比分析見表2，梁體撓跨比分析(動力系數(shù)以1.1考慮)見表3。

表2 加固前后跨中最大撓度測試結(jié)果分析

表3 加固前后梁體撓跨比分析

從以上分析可知：

(1)加固后實測跨中最大撓度較加固前減小22.8%，加固效果明顯。

(2)加固后換算至靜中-活載撓跨比為1/2 366，小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的鋼筋混凝土低高度梁1/1 900的豎向撓跨比通常值，表明梁體的豎向剛度已滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

(1)理論和實踐均表明，對于跨度8.0 m低高度鋼筋砼梁，采用粘貼鋼板加固技術(shù)，可有效提高鐵路小跨度低高度鋼筋混凝土梁的豎向剛度。

(2)本次試驗性粘貼鋼板加固施工是在列車正常運行的情況下進(jìn)行，實測結(jié)果驗證了此加固技術(shù)在列車正常運行的前提下，加固效果均較理想，加固施工安全、有效，在既有線上施工具有很大的優(yōu)越性。

(3)粘貼鋼板加固工程造價低，按該橋跨度8 m的混凝土梁測算，采用粘鋼加固法則僅需14萬元/孔。而采用傳統(tǒng)換梁方法工程造價約42萬元/孔，且需長時間封鎖線路，尤其是在長大橋梁上施工時施工風(fēng)險大、對鐵路運輸?shù)母蓴_更大。目前豎向剛度不足的混凝土梁全鐵路局共有81孔，若采用粘鋼加固方法，綜合考慮新梁與舊梁使用壽命的差異，可節(jié)約固定投資約918萬元，經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2004

[2] 中華人民共和國交通部.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006

[5] 白凡.粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁數(shù)值分析研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2008

[6] 劉海洋.外貼鋼板及碳纖維布加固鋼筋混凝土梁正截面試驗與數(shù)值分析[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2002

[7] 顧澤滋.鐵路既有線改造橋涵勘察問題探討[J].鐵道勘察，2013(5):55-02．

[8] 趙冠剛，張宗魯，聶磊，王康.某既有線鐵路橋墩的加固設(shè)計[J].鐵道勘察，2012(2):86-03．

[9] 徐洪權(quán).高速鐵路端刺橋梁墩梁固結(jié)部位局部應(yīng)力分析[J].鐵道勘察，2014(1):88-02

ResearchandApplicationNineRailwayBridgeBondedSteelReinforcementMerlin

SUN Tie-dun

2014-04-29

孫鐵盾(1980—)，男，2005年畢業(yè)于大連交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師。

1672-7479(2014)04-0100-03

U445.7+2； U445.58+4

： A