崔建龍，王起才，李 盛，霍明剛，王曉豐

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070;2.蘭州大學，甘肅蘭州 730030)

發(fā)展重載鐵路運輸既可有效地增大運輸能力，又能降低運輸成本，提高經(jīng)濟和社會效益。然而，由于2臺和諧型機車牽引的2萬噸重載組合列車在大秦線鐵路專線的開行，大秦鐵路年運輸量已遠遠超出了設計標準。線路上蓋板涵結構受力明顯增大，蓋板涵裂縫增多，掉塊范圍大，保護層厚度不足，有裸露筋并且有氯離子的侵入使鋼筋銹蝕，以及邊墻漿砌片石勾縫脫落、砂漿變酥等病害。蓋板涵的破損，對重載列車安全運營構成了潛在危險。本文通過室內試驗分析蓋板涵加固前后受力狀態(tài)，確認體外預應力加固的效果[1-2]，為大秦鐵路蓋板涵的加固提供技術支持。

1 蓋板涵體外預應力加固

1.1 概述

基于對大秦鐵路蓋板涵加固課題的探討，本文利用相似原理自制一片蓋板涵，進行室內試驗研究，混凝土材料和普通鋼筋均按現(xiàn)場材料選取。模型長4.5 m，寬1.0 m，端部高0.37 m，跨中高0.46 m。構件混凝土的強度平均值為20 MPa，彈性模量約為2.8×104MPa，梁體內非預應力縱向受拉鋼筋為18根φ16 mm，受壓鋼筋為6根φ8 mm。

蓋板涵體外預應力筋加固的實施方案為，在距梁下緣5 cm處設置3根直徑25 mm的精軋螺紋鋼，并在距離梁端45 cm處設置錨固裝置(主要由植筋、角鋼、加勁肋組成)。體外預應力筋布置、模型尺寸參見圖1、圖2。

1.2 錨固裝置的抗剪抗拔驗算

體外預應力筋錨固裝置如圖1所示。

圖1 錨固區(qū)加固(單位:cm)

植筋直徑為16 mm，12根，抗剪強度設計值、抗拉強度設計值分別為140，170 MPa，鋼筋偏心距為4 cm。

通過按文獻[3]試算，在單個螺栓最大剪力和拉力滿足規(guī)范容許值時，得到施加的最大有效預應力約為體外無粘結鋼筋抗拉強度的11%。故在靜載試驗過程中，體外無粘結鋼筋預加力張拉值最大取10%。分3組進行試驗(6%，8%，10%)。

2 室內蓋板涵靜載試驗

2.1 儀器和測點的選定

用DJCK-2裂縫測寬儀讀取裂縫寬度。采用百分表(量程3 cm)進行撓度量測。采用3816應變測試儀量測鋼筋、混凝土的應變(用標距為80 mm的膠基電阻應變片量測混凝土，標距為5 mm的膠基電阻應變片測鋼筋應變)。

裂縫觀測時均以跨中附近受拉鋼筋形心線處構件側面的裂縫寬度為準，靜載過程中，在每級荷載下觀察裂縫寬度以及開裂情況。測量撓度時分別在兩支座處設置兩個百分表，L/4、跨中、3L/4分別設置一個百分表。對于混凝土應變，在試驗蓋板的跨中截面布置20個電阻應變片，其中底面5個，頂面5個，兩側面各5個;在相應的加載位置布置9個電阻應變片，其中底面3個，兩側面各3個;L/4處布置12個電阻應變片，其中底面3個，頂面3個，兩側面各3個。鋼筋應變片分別布置在跨中截面處的受拉鋼筋和受壓鋼筋上，體外無粘結鋼筋每根布置2個應變片?；炷翍儨y點布置如圖2所示。

圖2 蓋板各面混凝土應變片布置(單位:cm)

2.2 試驗方案

1)試驗前對千斤頂和拉壓傳感器進行校正。

2)先做2～3次預加載靜載試驗，荷載控制值取為25 kN(即疲勞下限值)，用來考查儀表是否正常，荷載是否偏心和減小測試誤差。

3)用放大鏡及裂縫測寬儀測試初始裂縫寬度，用百分表測試初始撓度，3816測試初始應變。

4)參照《混凝土結構設計規(guī)范》計算蓋板開裂荷載值，根據(jù)計算值確定分級加載，每級加載50 kN，時間間隔取10 min，一直加載至梁體產生0.2 mm裂縫時停止加載，每級加載后測試裂縫寬度、撓度、應變。

5)而后分級卸載，并同時測試每次卸載后裂縫寬度、撓度、應變(注意觀察裂縫閉合情況)。加載方式如圖3所示。

圖3 蓋板涵加載方式

3 室內蓋板涵靜載試驗結果分析

3.1 板梁加固前后數(shù)據(jù)

施加體外預應力前、后的混凝土、鋼筋應力及跨中撓度見表1、表2。

施加體外預應力后載面應變分布見圖4。加固前后的混凝土應力、鋼筋應力及跨中撓度分別見圖5—圖7。

表1 未加固實測數(shù)據(jù)

表2 施加10%預應力加固時的實測數(shù)據(jù)

圖4 蓋板涵加固后截面應變分布

3.2 加固前后比較及分析

1)由圖4可以看出，梁體在加固后的運營階段，其截面應變基本符合平截面假定。

2)從表1看出，加固前施加荷載500 kN時，普通鋼筋拉應力164 MPa，遠小于其屈服強度，尚有很大的安全儲備，而混凝土的壓應力已經(jīng)超過混凝土彎曲受壓的容許應力值11.2 MPa，跨中最大撓度6.16 mm已經(jīng)超過規(guī)范容許值L/800。

圖5 蓋板頂面混凝土應力

圖6 蓋板普通鋼筋拉應力

圖7 蓋板跨中撓度

3)從表2及圖5—圖7結果分析，采用體外預應力加固后，蓋板涵的承載能力增加，體現(xiàn)在普通鋼筋的應力、頂面混凝土壓應力和跨中撓度的減小及荷載等級增加上。相比于加固前混凝土達到正常使用極限狀態(tài)時，采用6%體外預應力加固后，混凝土抗壓強度最大降低了35%，普通鋼筋拉應力降低了27.7%，跨中撓度最大降低14.1%;采用8%體外預應力加固后，混凝土抗壓強度最大降低了35.2%，普通鋼筋拉應力降低了30.5%，跨中撓度最大降低15.1%;采用10%體外預應力加固后，混凝土抗壓強度最大降低了38.5%，普通鋼筋拉應力降低了32.7%，跨中撓度最大降低15.8%。

3.3 加固效果理論分析

建立體外預應力與施加外荷載(圖8)的彎矩平衡方程

式中:P0為有效預應力;ΔTp為體外預應力增量;dp為體外筋到形心的距離;L為蓋板涵計算跨徑。

圖8 體外預應力分析模型

本試驗采用三分點荷載加載，并基于已有研究基礎上[4-5]，可以得到施加不同體外預應力時體外筋分擔的外荷載程度，即得到加固的效果。通過計算:在蓋板涵承受疲勞上限荷載280 kN情況下，施加6%體外預應力加固時，最大可分擔69 kN的外荷載;施加8%體外預應力加固時，最大可分擔92 kN的外荷載;施加10%體外預應力加固時，最大可分擔115 kN的外荷載。這與體外預應力應變片實測值誤差不超過5%。

4 結論

通過對試驗數(shù)據(jù)分析可知，采用體外預應力加固對提高承載能力效果顯著。并可以根據(jù)加固的要求，施加不同體外預應力，達到分擔外荷載的效果(但要滿足錨固區(qū)的要求)。此方法操作簡單，便于隨時調整。

對于小跨徑板梁，本試驗采用的錨固完全滿足加固要求，有一定實用價值。

[1]趙人達，奉龍成.體外預應力加固鋼筋混凝土簡支梁靜載試驗分析[R].成都:西南交通大學，1999.

[2]呂蕾，鐘志彬，張國林.符汶大橋體外預應力加固技術研究[J].鐵道建筑，2010(12):10-12.

[3]葉見曙.結構設計原理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[4]姚謙峰，陳平.土木工程結構試驗[M].北京:人民交通出版社，2005.

[5]王景全，劉釗，呂志濤.基于撓度的體外與體內無粘結預應力筋應力增量[J].東南大學學報，2005，35(6):915-919.