孫鐵盾

(上海鐵路局工務(wù)處,上?！?00071)

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合九鐵路9號(hào)橋體外預(yù)應(yīng)力加固Ansys仿真分析與實(shí)踐

孫鐵盾

(上海鐵路局工務(wù)處,上海200071)

摘要：為整治既有線小跨度低高度鋼筋混凝土梁普遍存在的豎向剛度不足的病害,應(yīng)用Ansys有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析,研究體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的適用性,并對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線和體外預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋方案進(jìn)行方案比選；通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析的對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)論為：體外預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋加固技術(shù)可有效恢復(fù)小跨度低高度鋼筋混凝土梁豎向剛度,具有經(jīng)濟(jì)高效、施工便捷、對(duì)鐵路運(yùn)輸基本無干擾等特點(diǎn),值得推廣。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；鋼筋混凝土梁；體外預(yù)應(yīng)力；加固

我國既有鐵路六次大提速以來，在役鐵路橋梁由于受到建設(shè)期間設(shè)計(jì)的局限、材料、施工質(zhì)量等方面的影響，陸續(xù)出現(xiàn)了各種病害，其中運(yùn)營的小跨度低高度鋼筋混凝土梁豎向剛度不足較為普遍，嚴(yán)重影響軌道線路的平順性，制約著鐵路運(yùn)輸效率，危及鐵路運(yùn)輸安全。因此，對(duì)該類橋梁的加固顯得尤為迫切。

在橋梁加固技術(shù)方面，我國公路橋梁發(fā)展較早，加固技術(shù)比較成熟，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在公路橋梁加固工程中得到了廣泛應(yīng)用，積累了大量成功經(jīng)驗(yàn)。然而該技術(shù)在鐵路既有線橋梁加固中相關(guān)研究不多，應(yīng)用甚少。本文借鑒公路橋梁加固的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)橋加固試驗(yàn)工程，對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在鐵路既有線橋梁豎向剛度加固方面的適用性進(jìn)行了研究與應(yīng)用。

1概況

1.1原橋概況

合九鐵路9號(hào)橋中心里程為K39+585，上部結(jié)構(gòu)為11孔8.0 m低高度鋼筋混凝土梁，橋全長105.4 m，于1992年竣工。見圖1。

圖1　原橋?qū)嵕?/p>

1.2病害情況及成因分析

2010年發(fā)現(xiàn)客運(yùn)列車通過該橋時(shí)乘坐舒適度明顯不足，于是對(duì)該橋梁體進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果表明：DF4機(jī)車作用下的動(dòng)態(tài)撓度最大值達(dá)4.17 mm，換算中-活載作用下梁撓跨比為1/1 688，大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運(yùn)函[2004]120號(hào))(以下簡稱“《橋檢規(guī)》”)[1]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，梁體豎向剛度已不滿足鐵路運(yùn)營要求。

為分析該類梁體豎向剛度不足的原因，通過對(duì)大量小跨度低高度鋼筋混凝土梁的普查及研究，認(rèn)為產(chǎn)生病害的原因主要是由于該類梁體混凝土強(qiáng)度普遍低于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，混凝土質(zhì)量較差導(dǎo)致梁體抗彎承載能力不足，梁體跨中出現(xiàn)了多處受力裂縫，削弱了結(jié)構(gòu)有效斷面，以致豎向撓度過大，剛度不足[2]。從以上分析可知，該類梁體病害已經(jīng)危及行車安全，必須盡早研究科學(xué)、合理、可行的解決辦法。

2加固方案的提出

如果采用舊梁換新梁的方法，雖然可以解決此類問題，但由于病害混凝土梁數(shù)量之多，換梁工程造價(jià)之大，且會(huì)嚴(yán)重影響列車正常運(yùn)行。為此，借鑒公路橋梁加固中較成熟的體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，以閉合梁體受力裂縫，達(dá)到提高剛度的效果[3]。

方案一：每片梁擬采用4根φ15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，對(duì)每根預(yù)應(yīng)力鋼絞線均施加104.2 kN的預(yù)張力。

方案二：每片梁擬采用4根φ32 mm精軋螺紋鋼，對(duì)每根預(yù)應(yīng)力鋼筋均施加104.2 kN的預(yù)張力[4]。

3基于Ansys的加固效果理論分析

3.1有限元模型的建立

線性模型通過人為設(shè)置裂縫模擬開裂，非線性模型則根據(jù)Ansys提供的Solid65單元自動(dòng)模擬裂縫的開閉。因非線性模型同時(shí)考慮了預(yù)應(yīng)力對(duì)裂縫的閉合作用和預(yù)應(yīng)力筋與梁體的聯(lián)合作用，其計(jì)算結(jié)果在分析上具有重要參考價(jià)值，所以本次模擬采用非線性模型[5]。如圖2所示。

圖2　考慮體外預(yù)應(yīng)力筋的梁體有限元非線性分析模型

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，不考慮鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)滑移[5]?；炷梁弯摻畹膹?qiáng)度設(shè)計(jì)值均采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[6]規(guī)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值?；炷羻屋S非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)規(guī)定的公式，并按多線性等向強(qiáng)化模型考慮。由于正常運(yùn)營荷載下鋼筋達(dá)不到屈服，故普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋均按線彈性模型考慮。為更好地模擬預(yù)應(yīng)力筋的錨固作用，預(yù)應(yīng)力筋的兩端節(jié)點(diǎn)與主梁上錨固位置處附近的若干節(jié)點(diǎn)采用剛性連接處理。

為考慮預(yù)應(yīng)力施加歷程對(duì)非線性分析的影響，在設(shè)置求解荷載步的時(shí)候使用了Ansys單元生死的功能[7]，所設(shè)置荷載步如下。

荷載步1：令模擬預(yù)應(yīng)力筋的Link8單元失效并施加恒載，模擬預(yù)應(yīng)力筋施加前的情況。

荷載步2：令模擬預(yù)應(yīng)力筋的Link8單元生效并在其上施加溫度荷載，并以在錨固點(diǎn)產(chǎn)生416.8 kN的預(yù)應(yīng)力為目標(biāo)經(jīng)過試算確定溫度值，這一步用以模擬預(yù)應(yīng)力筋施加后的情況，并得到反拱值。

荷載步3：施加DF4機(jī)車靜活載，使預(yù)應(yīng)力筋與梁體聯(lián)合作用，共同承受列車活載。

3.2有限元計(jì)算分析

普通鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量之比n的取值以及預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量之比m的取值，對(duì)撓度計(jì)算值影響較大[8]。

究其原因，是因?yàn)閚的取值對(duì)混凝土實(shí)際受壓區(qū)高度有影響。當(dāng)n值較大時(shí)，混凝土受壓區(qū)高度較大，截面換算慣性矩較大；反之，n值較小時(shí)，混凝土受壓區(qū)高度較小，截面換算慣性矩也較小。值得注意的是，鋼筋的彈性模量基本是恒定的，n值較大的情況對(duì)應(yīng)的是混凝土變形模量較小的情況，取較大的n值計(jì)算的混凝土變形模量與實(shí)測(cè)彈性模量相差很大。這是因?yàn)閷?shí)測(cè)的是混凝土瞬時(shí)彈性模量，而n值反映的是混凝土疲勞、徐變作用下很長時(shí)間內(nèi)的累計(jì)變形情況，變形模量和彈性模量是兩個(gè)不同的概念。因此，采用較大的n值可使得受壓區(qū)高度和截面換算慣性矩的計(jì)算較為符合實(shí)際。

由于預(yù)應(yīng)力筋是在混凝土疲勞和徐變效應(yīng)基本完成后施加的，且時(shí)間不長，因此采用m=6.25是較合理且偏于保守的。但是，加固后的橋梁經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)用，混凝土、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋還將由于疲勞、徐變而發(fā)生應(yīng)力重分布，這必將改變混凝土實(shí)際受壓區(qū)高度和梁體剛度。從這個(gè)意義上而言，取m=n=15的情況能反映長期的加固效果。

對(duì)于本低高度梁，根據(jù)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)取n=15，根據(jù)《橋檢規(guī)》應(yīng)取n=10，在有實(shí)測(cè)混凝土彈性模量的情況下可取n=20/3.2。為比較n值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在非線性模型的分析中，對(duì)于非預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量之比n的取值，分別考慮了n=15、n=10、n=20/3.2三種情況。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量之比m的取值，分別考慮了m=n、m=20/3.2兩種情況進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　基于非線性模型的剛度加固效果分析

據(jù)表1可得出如下結(jié)論。

(1)加固前DF4靜活載下?lián)隙葹?.16 mm，與實(shí)測(cè)值4.01～4.17 mm較為接近；而當(dāng)n=10或者n=6.25時(shí)，活載撓度均大大超過實(shí)測(cè)值，表明計(jì)算結(jié)果低估了梁體實(shí)際剛度，這是由于計(jì)算的混凝土受壓區(qū)高度較小引起的?？梢?，按設(shè)計(jì)規(guī)范取n=15可較好模擬梁體加固前的剛度。

(2)采用n=15、m=6.25時(shí)，方案二(預(yù)應(yīng)力鋼筋)對(duì)提高梁體剛度的效果達(dá)8.2%，同等預(yù)張力大小的方案一(預(yù)應(yīng)力鋼絞線)剛度加固效果為1.9%，僅為方案二的1/4；采用m=n=15時(shí)，方案二(預(yù)應(yīng)力鋼筋)加固方案對(duì)提高梁體剛度的效果達(dá)16.3%，同等預(yù)張力大小的方案一(預(yù)應(yīng)力鋼絞線)剛度加固效果為3.8%，同樣為方案二的1/4。由于方案一張拉的預(yù)應(yīng)力筋的截面積為方案二的1/4，同樣驗(yàn)證了剛度的提高效果與所張拉鋼筋的截面積成正比這一關(guān)系[8]。

由此可見，基于實(shí)體有限元仿真模擬分析結(jié)果表明，采用方案二(預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋)加固方案對(duì)于8 m低高度混凝土梁剛度提高百分比可達(dá)8.2%～16.3%，加固效果顯著，推薦采用。

4加固方案的實(shí)施

為從實(shí)測(cè)上檢驗(yàn)方案二(精軋螺紋鋼筋)的加固效果，選取該橋1孔混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)性加固。如圖3所示。

圖3　體外預(yù)應(yīng)力(精軋螺紋鋼)加固施工

預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋通過固定端與張拉端鋼構(gòu)件與橋梁梁底連接，在工廠定制，鋼構(gòu)件采用Q345鋼，鋼構(gòu)件表面采用整體熱浸鋅防銹處理，熱浸鋅外面再涂2道紅色和銀色防銹漆[9]；固定端和張拉端鋼構(gòu)件與混凝土梁的連接，采用德國慧魚高強(qiáng)錨栓及配套植筋膠水連接，規(guī)格M20，植筋深度170 mm；每根縱向預(yù)應(yīng)力筋張拉控制力為104.2 kN，張拉時(shí)應(yīng)保證同一孔二片梁的8根預(yù)應(yīng)力筋同步張拉。此外，加固前先對(duì)試驗(yàn)梁體裂縫進(jìn)行封閉處理[10]。

4.1加固效果測(cè)試驗(yàn)證

由于跨中最大撓度與列車速度關(guān)系并不明顯，故可忽略列車速度的影響，以跨中最大撓度平均值進(jìn)行對(duì)比分析。加固前后試驗(yàn)梁實(shí)測(cè)跨中最大撓度對(duì)比分析見表2，梁體撓跨比分析(動(dòng)力系數(shù)以1.1考慮)[11]見表3。

表2　加固前后梁體跨中最大動(dòng)撓度測(cè)試結(jié)果

表3　加固前后梁體撓跨比分析

從表2中數(shù)據(jù)分析可知：

(1)加固后試驗(yàn)梁的實(shí)測(cè)跨中最大撓度較加固前分別減小15.0%、16.1%，加固效果明顯；

(2)加固后試驗(yàn)梁換算至靜中-活載撓跨比為1/2 010，小于《橋檢規(guī)》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《橋檢規(guī)》要求。

5結(jié)語

(1)有限元數(shù)值模擬計(jì)算得出體外預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋加固方案的剛度提高16.3%，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明其提高剛度的效果達(dá)到15%～16%，說明基于Ansys實(shí)體有限元的預(yù)應(yīng)力加固效果分析能較好地模擬加固前后梁體實(shí)際剛度，對(duì)實(shí)測(cè)加固效果進(jìn)行了相互驗(yàn)證，具有一定的合理性[12]。

(2)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)與傳統(tǒng)換梁方法相比，不僅施工便捷，而且將會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。按

1孔跨度8 m的混凝土梁測(cè)算，換梁工程造價(jià)42萬元，需要列車限速至少15 d，封鎖線路至少3 h，給鐵路運(yùn)輸造成損失約14.7萬元；而體外預(yù)應(yīng)力加固法僅需15萬元，不需要列車長時(shí)間限速，對(duì)鐵路運(yùn)輸基本無干擾。按我局81孔同類病害梁計(jì)算，綜合考慮新梁與舊梁使用壽命的差異，體外預(yù)應(yīng)力加固法可節(jié)省固定投資約900萬元，免去鐵路運(yùn)輸損失約1 191萬元。若該技術(shù)在全路同類病害橋梁加固中推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀。

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Simulation Analysis and Practice of ANSYS External Prestressed Reinforcement for Railway Bridge 9#SUN Tie-dun

(Permanent Way And Bridge Department Of Shanghai Railway Administration, Shanghai 200071, China)

Abstract：To overcome the defects of existing reinforced concrete beams with low height, small span and insufficient vertical stiffness, ANSYS FEM numerical simulation calculation and analysis is employed to assess the applicability of external reinforcement technology, and the program with prestressed strand ant that with finishing rebar are compared. The comparative verification of the measured data and theoretical analysis concludes that the external prestressed reinforcement with finishing rebar can effectively recover the vertical stiffness of reinforced concrete beams with low height and small span and prove to be cost-effective, convenient in construction with almost no interference to the traffic and worth promoting.

Key words：Railway bridge; Reinforced concrete beam; External prestressing; Reinforcement

中圖分類號(hào)：U445.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.018

文章編號(hào)：1004-2954(2015)01-0074-03

作者簡介：孫鐵盾(1980—)，男，工程師，2005畢業(yè)于大連交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：13548288@qq.com。

基金項(xiàng)目：上海鐵路局科技研究開發(fā)計(jì)劃(2011077)

收稿日期：2014-04-07； 修回日期：2014-05-15