馬 遙,陳士通,許宏偉,李 鋒

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心,石家莊 050043)

我國(guó)鐵路正向高速、重載方向快速發(fā)展，列車荷載等級(jí)不斷提高[1-2]，為滿足高速、重載列車的通行要求，鐵路橋梁的承載能力必須滿足更高的要求。目前，六四式鐵路軍用梁(以下簡(jiǎn)稱“六四梁”)作為一種鐵路搶修鋼梁，是自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭(zhēng)突發(fā)導(dǎo)致橋梁損毀后用于橋梁搶修的主力梁型，但其設(shè)計(jì)年代較為久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，已難以適應(yīng)當(dāng)前高速、重載鐵路的搶修需求。因此，對(duì)六四梁進(jìn)行加固以提高其承載能力已成為一個(gè)亟待解決的問題。

預(yù)應(yīng)力技術(shù)是一種簡(jiǎn)單、可靠和經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)[3-4]，其通過對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，以預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反彎矩抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力[5]，從而有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力和整體剛度[6-10]。目前，我國(guó)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在新橋建設(shè)、舊橋加固、建筑改造方面應(yīng)用廣泛[11-19]，但在鐵路應(yīng)急搶修器材中應(yīng)用較少，相關(guān)的研究也亟待深入。

以24 m跨單層六四梁為對(duì)象，采取5種不同的加固方案進(jìn)行研究，分析加固方案和預(yù)應(yīng)力大小對(duì)其結(jié)構(gòu)承載能力和整體剛度影響的變化規(guī)律，并與未加固鋼梁進(jìn)行對(duì)比分析。

1 加固方案

根據(jù)鋼梁承受豎向荷載時(shí)的受力和變形特點(diǎn)，為改善上、下弦桿受力狀況，同時(shí)減小跨中撓度，共設(shè)定了5種加固方案，其中方案1～3為無(wú)撐桿加固方案，方案4、5為設(shè)有撐桿的加固方案。加固實(shí)施時(shí)，將預(yù)應(yīng)力索或撐桿置于六四梁下弦桿下側(cè)，通過預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生反彎矩來抵消豎向荷載作用下的鋼梁內(nèi)力及下?lián)蟍20]。具體如圖1和表1所示。

注：細(xì)實(shí)線表示鋼梁，粗實(shí)線表示撐桿，虛線表示預(yù)應(yīng)力索。圖1 加固方案示意

表1 六四梁加固方案

2 有限元模型的建立

六四梁為多片式拼裝結(jié)構(gòu)，采用上承式明橋面，主體材料為Q345低合金鋼。本文采用的鋼梁計(jì)算跨徑為24 m，桁高1.5 m，主要組成構(gòu)件為標(biāo)準(zhǔn)三角、端構(gòu)架、標(biāo)準(zhǔn)弦桿和端弦桿，其中標(biāo)準(zhǔn)三角由上弦桿、斜腹桿和中豎桿組成，端構(gòu)架由端壓桿、斜拉桿、斜壓桿和上、下弦桿組成，各構(gòu)件內(nèi)部焊接為整體，構(gòu)件之間采用銷栓連接。

鑒于六四梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，假定各片主梁均勻承載，故此處利用ANSYS建立單片六四梁模型進(jìn)行相關(guān)分析，使用梁?jiǎn)卧狟EAM189建立主體結(jié)構(gòu)，只承受拉力的桿單元LINK10模擬體外預(yù)應(yīng)力索。將預(yù)應(yīng)力索與鋼梁和撐桿的連接視為鉸接，不考慮實(shí)際錨固和轉(zhuǎn)向裝置的影響。

分析時(shí)采用φ15.24 mm的鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力索，張拉控制應(yīng)力取1 000 MPa，則初始預(yù)加力為182.41 kN。采用初始應(yīng)變法對(duì)預(yù)應(yīng)力索施加預(yù)應(yīng)力，通過改變索的數(shù)量來施加不同大小的預(yù)應(yīng)力。

對(duì)梁跨加載時(shí)采用重載鐵路荷載圖式ZH荷載，六四梁組成按8片主桁考慮，此處取其1/8施加在模型上，荷載系數(shù)取為1.2，加載長(zhǎng)度按最不利工況進(jìn)行加載，不計(jì)鋼梁自重。列車軸重作為節(jié)點(diǎn)集中荷載施加，均布荷載使用SFBEAM命令施加。整個(gè)分析過程僅限于材料彈性范圍內(nèi)。

3 加固效果分析

鑒于六四梁的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，在驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)六四梁承載能力和整體剛度的提升效果時(shí)，僅對(duì)拉壓受力最大部位的弦桿(跨中位置附近)、承剪最不利的拉壓桿(端構(gòu)架中的斜拉桿和斜壓桿)、端壓桿以及跨中豎向撓度進(jìn)行分析。

3.1 未加固鋼梁受力和剛度分析

表2給出了列車荷載作用下，未加固鋼梁最不利位置的桿件受力情況。

表2 未加固鋼梁主要桿件最大正應(yīng)力及其位置

注：應(yīng)力受拉為正，受壓為負(fù)。

由表2可知，跨中位置附近的上弦桿的正應(yīng)力水平最高，且接近容許應(yīng)力限值，對(duì)鋼梁的承載能力起控制作用。此外，未加固鋼梁的跨中撓度為73.2 mm，已超過列車豎向靜活載引起的豎向撓度限值L/400的要求。因此，有必要對(duì)六四梁的加固技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

3.2 上、下弦桿受力分析

圖2給出了采取不同加固方案時(shí)，六四梁最不利位置處的上、下弦桿的應(yīng)力變化。此外，要掌握各種加固方式對(duì)六四梁上、下弦桿的總體影響，還需對(duì)不同方案中所有上、下弦桿受力狀況進(jìn)行分析。鑒于不同預(yù)應(yīng)力作用下，各方案中上、下弦桿應(yīng)力順橋向的分布狀況相近，限于篇幅，此處僅給出預(yù)應(yīng)力為364.83 kN時(shí)的上、下弦桿應(yīng)力分布情況，如圖3所示。

圖2 最不利位置上、下弦桿正應(yīng)力變化

上弦桿以受壓為主，其應(yīng)力水平高低不僅對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有明顯影響，還對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，所以，此處先對(duì)上弦桿進(jìn)行分析。分析圖2(a)可知：(1)加固方式的不同對(duì)上弦桿受力情況的改變幅度影響明顯，直接布索的加固方式(方案1～方案3)對(duì)上弦桿受力的降低基本沒有影響，但布索與撐桿結(jié)合的加固方式(方案4、5)可明顯降低上弦桿的受力。(2)采用方案4或方案5時(shí)，上弦桿應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)力的增大基本呈線性下降趨勢(shì)，其中，采取相同預(yù)應(yīng)力的情況下，方案4產(chǎn)生的應(yīng)力降幅略大于方案5，且預(yù)應(yīng)力越大，二者差值越明顯，說明所施加的預(yù)應(yīng)力越大，方案4的加固效果越明顯。

下弦桿以受拉為主，分析圖2(b)可知：(1)直接布索和布索與撐桿相結(jié)合的加固方案，均可明顯降低下弦桿的拉應(yīng)力。下弦桿拉應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力的增大基本呈線性下降趨勢(shì)，但不同方案間隨預(yù)應(yīng)力增大產(chǎn)生的降幅有所區(qū)別，施加的預(yù)應(yīng)力越大，不同方案間的差值越明顯。(2)5種加固方案中，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力相同時(shí)，方案1、2對(duì)下弦桿應(yīng)力的降幅影響最低，且兩方案效果基本相同，方案3的應(yīng)力降幅效果居中，方案4、5對(duì)下弦桿應(yīng)力下降的影響尤為明顯，但方案5最優(yōu)。

圖3 上、下弦桿總體應(yīng)力變化

分析圖3可知：(1)對(duì)于六四梁的總體結(jié)構(gòu)而言，無(wú)論采用哪種加固方案，對(duì)跨中上、下弦桿的受力影響最為明顯，越靠近梁跨端部，影響越小，但局部桿件受力影響可能有所區(qū)別，如方案2和方案3的梁跨端部下弦桿，由于預(yù)應(yīng)力索索端的固定方式不同而導(dǎo)致局部桿件的受力變化，說明具體應(yīng)用時(shí)，需要考慮索端固定對(duì)局部桿件的受力影響。(2)由于上弦桿以受壓為主，加固方案的不同僅影響到上弦桿的應(yīng)力降低水平，即加固效果；但對(duì)于下弦桿而言，由于原結(jié)構(gòu)中下弦桿以受拉為主，預(yù)應(yīng)力的介入有可能導(dǎo)致下弦桿受力方式的變化，如端部下弦桿的受力狀態(tài)可能由受拉改變?yōu)槭軌?，且越靠近端部，改變幅度越加明顯。(3)各方案中下弦桿壓應(yīng)力極值均出現(xiàn)在索端附近。受索端位置的影響，方案1、4和方案5的下弦桿最大壓應(yīng)力明顯大于方案2、3，故其對(duì)桿件穩(wěn)定性的不利影響更大。工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，以避免預(yù)應(yīng)力施加過大時(shí)，下弦桿改為受壓控制，繼而引發(fā)安全事故。

3.3 端構(gòu)架斜拉、壓桿受力分析

圖4分別給出了5種方案中不同預(yù)應(yīng)力作用下，端構(gòu)架處斜拉桿和斜壓桿的最大正應(yīng)力。

圖4 斜拉、壓桿最大正應(yīng)力變化

分析圖4(a)可知，5種加固方案均可改變端構(gòu)架斜拉桿的受力情況，但加固方案的不同將導(dǎo)致不同的改善效果，如方案1、2對(duì)斜拉桿的受力改善效果一般；方案4、5對(duì)斜拉桿的受力改善效果較為明顯，斜拉桿最大正應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力的增大呈線性下降趨勢(shì)；方案3對(duì)斜拉桿的受力改善效果最為明顯，且隨著預(yù)應(yīng)力的增大，其受力狀態(tài)由受拉改為受壓，究其原因在于預(yù)應(yīng)力索在斜拉桿和端弦桿端部固定，隨著施加預(yù)應(yīng)力的增加，將逐漸改變其受力狀態(tài)，故采取方案3進(jìn)行加固時(shí)應(yīng)注意斜拉桿的失穩(wěn)破壞。

同樣，由圖4(b)可知：(1)方案1、2對(duì)斜壓桿受力的降低基本沒有影響；方案3～5可明顯改變斜壓桿的受力。采用方案4、5時(shí)，斜壓桿應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力的增大基本呈線性下降趨勢(shì)，采用方案3時(shí)，斜壓桿應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力的增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。(2)預(yù)應(yīng)力相同時(shí)，方案5產(chǎn)生的應(yīng)力降幅略大于方案4，且預(yù)應(yīng)力越大，二者間的差值越明顯，說明所施加的預(yù)應(yīng)力越大，方案5對(duì)斜壓桿應(yīng)力水平的降低越明顯。(3)在正常的預(yù)應(yīng)力范圍內(nèi)，方案3使斜壓桿受力降低，說明方案3對(duì)斜壓桿應(yīng)力的影響以有利為主，但預(yù)應(yīng)力過大時(shí)可能產(chǎn)生不利影響。

綜合各方案對(duì)斜拉、壓桿受力情況的影響可知，方案1、2對(duì)斜拉、壓桿基本無(wú)影響；方案3～5可降低斜拉、壓桿的應(yīng)力水平，從而提高鋼梁端部的抗剪性能，但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，采用方案3時(shí)，應(yīng)避免因預(yù)應(yīng)力過大導(dǎo)致斜拉桿受壓失穩(wěn)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.4 端壓桿受力分析

六四梁作為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)承載時(shí)，端構(gòu)架的端部豎桿(端壓桿)直接位于支座上方，以受壓為主，其受力狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響明顯，故提取了5種方案中不同預(yù)應(yīng)力下端壓桿的最大正應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 端壓桿最大正應(yīng)力變化

分析圖5可知：(1)加固方式的不同導(dǎo)致的端壓桿受力改變情況的差異較大，方案2對(duì)端壓桿受力基本無(wú)影響，其余4種方案可明顯改變端壓桿受力。(2)采用方案1時(shí)，端壓桿應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力的增大而增大，說明針對(duì)于端壓桿而言，采用方案1進(jìn)行加固沒有意義；采用方案4、5時(shí)，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，端壓桿應(yīng)力呈線性下降趨勢(shì)，且所施加預(yù)應(yīng)力相同時(shí)，方案5的下降幅度大于方案4；采用方案3時(shí)，端壓桿應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力的增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，說明采用方案3進(jìn)行加固時(shí)，并非預(yù)應(yīng)力越大越好，應(yīng)合理確定預(yù)應(yīng)力施加值，防止預(yù)應(yīng)力過大帶來的負(fù)面作用。

3.5 豎向剛度分析

豎向剛度是表征結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的重要指標(biāo)之一，為分析不同加固方案對(duì)六四梁豎向剛度的影響，圖6給出了5種方案中跨中豎向撓度隨預(yù)應(yīng)力的變化情況。

圖6 跨中豎向撓度變化

分析圖6可知：(1)5種加固方案均可顯著降低結(jié)構(gòu)的跨中豎向撓度，豎向撓度隨預(yù)應(yīng)力的增大呈線性下降趨勢(shì)，但不同方案間隨預(yù)應(yīng)力增大產(chǎn)生的降幅不同，施加的預(yù)應(yīng)力越大，不同方案間的差值越大。(2)當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力相同時(shí)，直接布索加固方案1～3對(duì)跨中豎向撓度的降幅影響較小，其中方案1、2降幅最小，且兩方案的效果基本相同，方案3的降幅略大于方案1、2；布索和撐桿相結(jié)合的加固方案4、5對(duì)跨中豎向撓度下降的影響明顯優(yōu)于直接布索加固方案，但方案5最優(yōu)。

在整體剛度的提升上，布索和撐桿相結(jié)合的加固方案明顯優(yōu)于直接布索加固方案。在跨中豎向撓度限值一定的情況下，方案5可用最小的預(yù)應(yīng)力達(dá)到該限值要求，在實(shí)際工程中可減少預(yù)應(yīng)力索的使用，從而降低加固成本。

3.6 綜合評(píng)價(jià)

由于未能明顯降低對(duì)六四梁承載能力起控制作用的上弦桿最大正應(yīng)力，故方案1～3不能有效提升鋼梁的承載能力，但其對(duì)跨中撓度的減小較為明顯，因而可在實(shí)際工程中僅鋼梁豎向剛度需要提升時(shí)采用。

方案4、5可降低除中豎桿以外所有桿件的應(yīng)力水平，因而能有效提升結(jié)構(gòu)的承載能力。此外，方案4、5對(duì)于整體剛度的提升明顯優(yōu)于方案1～3。方案4和方案5對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響相似，但在預(yù)應(yīng)力相同時(shí)，方案4對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的提升略優(yōu)，方案5對(duì)整體剛度的提升略優(yōu)。在工程實(shí)踐中，可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的加固方案。

方案4、5的加固效果優(yōu)良，但其在鋼梁下部設(shè)有撐桿，當(dāng)鋼梁下部空間不足時(shí)，加固方案將難以實(shí)現(xiàn)。因此，研究一種加固效果優(yōu)良的無(wú)撐桿加固方案仍是一項(xiàng)亟待解決的問題。

各方案在實(shí)際應(yīng)用中除對(duì)加固效果的關(guān)注外，均應(yīng)注意對(duì)局部桿件產(chǎn)生的不利影響，避免因預(yù)應(yīng)力過大引起桿件受壓失穩(wěn)，繼而引發(fā)安全事故。

4 結(jié)論

通過對(duì)24 m跨單層六四梁5種加固方案的有限元分析可知：(1)直接布索的加固方案1～3不能有效提升結(jié)構(gòu)的承載能力，但對(duì)整體剛度的提升較為明顯；(2)布索和撐桿結(jié)合的加固方案4、5可有效提升鋼梁承載能力，且對(duì)整體剛度的提升明顯優(yōu)于直接布索的加固方案；(3)布索和撐桿結(jié)合的加固方案中，單撐桿方案對(duì)承載能力的提升略優(yōu)，雙撐桿方案對(duì)整體剛度的提升略優(yōu)。(4)預(yù)應(yīng)力加固可能對(duì)鋼梁中局部桿件的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。本文驗(yàn)證了運(yùn)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)六四梁進(jìn)行加固的可行性，總結(jié)了加固方案存在的不足，對(duì)于提高既有鐵路搶修鋼梁的承載能力具有借鑒意義。