馬 遙，陳士通，趙 曼，李 鋒

(1.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，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

近年來，我國鐵路正向著“客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載”的方向不斷發(fā)展，列車軸重和運(yùn)營速度的增大對(duì)橋梁的承載能力提出了更高的要求[1-3]。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橋器材，具有結(jié)構(gòu)輕便、構(gòu)造簡(jiǎn)單和架設(shè)迅速的特點(diǎn)，是我國用于戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害發(fā)生后橋梁搶修的主力梁型。但六四梁設(shè)計(jì)年代較為久遠(yuǎn)(于1964年設(shè)計(jì)定型)，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)較低，已難以滿足當(dāng)前高速、重載鐵路的搶修要求[4]。因此，對(duì)六四梁進(jìn)行加固以提高其承載能力已成為亟待解決的問題。

采用體外預(yù)應(yīng)力束加固橋梁是已成熟的一種簡(jiǎn)便、高效和經(jīng)濟(jì)的加固方式。它將高強(qiáng)度鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力的載體，通過預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反彎矩抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力[5-8]。目前，預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在工程加固領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并取得了良好的效果[9-11]。該技術(shù)同樣適用于六四梁的加固，但加固效果可能因工況變化導(dǎo)致一定的差異。為使預(yù)應(yīng)力技術(shù)適應(yīng)不同工況下的六四梁加固需求，有必要對(duì)影響加固效果的因素進(jìn)行分析，探究其影響規(guī)律以確保六四梁的應(yīng)急使用。

本文以32 m跨度的雙層六四梁為研究對(duì)象，采用設(shè)有撐桿的折線形加固方案，從鋼梁的受力狀況和豎向撓度2個(gè)方面，分析預(yù)應(yīng)力、荷載、撐桿長(zhǎng)度對(duì)加固效果的影響，并探究其內(nèi)在變化規(guī)律。

1 加固方案與模型建立

六四梁的體外預(yù)應(yīng)力加固可以采用多種布索方式，直接布索(不設(shè)撐桿)的加固方式對(duì)六四梁承載能力的提升效果有限，故本文采用雙撐桿的折線形布索方式進(jìn)行研究。

根據(jù)六四梁承受豎向荷載時(shí)的受力特點(diǎn)，可將預(yù)應(yīng)力索置于鋼梁下側(cè)，使預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。為了最大程度地約束鋼梁下?lián)希瑢螚U對(duì)稱設(shè)置于鋼梁下側(cè)距跨中1 m處，撐桿長(zhǎng)度設(shè)為0.5 m[12]。預(yù)應(yīng)力索連接撐桿且錨固于鋼梁兩端，如圖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。

雙層式六四梁主要構(gòu)件包括標(biāo)準(zhǔn)三角、端構(gòu)架和撐桿，各構(gòu)件為全焊結(jié)構(gòu)，采用銷接組裝。本文以32 m 跨雙層六四梁為對(duì)象，根據(jù)六四梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，假定各片主梁均勻承載，故使用ANSYS建立單片模型。建模過程中采用梁?jiǎn)卧M鋼梁，桿單元模擬預(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)際錨固裝置和轉(zhuǎn)向裝置的影響。

荷載工況考慮自重+列車荷載作用，列車荷載采用中—活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)，荷載系數(shù)取為1.2，并按最不利工況進(jìn)行加載。六四梁組成按6片主桁考慮，此處取荷載的1/6施加在模型上。分析時(shí)采用工程中常用的φ15.24 mm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)應(yīng)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。為探究各影響因素對(duì)加固效果的影響規(guī)律，整個(gè)分析過程僅在材料線彈性范圍內(nèi)進(jìn)行。

2 未加固鋼梁受力狀況和豎向撓度分析

由有限元分析可知，自重和列車荷載作用下未加固鋼梁中各桿件的受力狀況見表1。此外，鋼梁跨中豎向撓度為80.248 mm，超過相關(guān)規(guī)范要求的限值。

表1 未加固鋼梁的受力狀況

由表1可以看出，作為主要承載桿件的上、下弦桿的應(yīng)力水平很高，且接近容許應(yīng)力，其最大正應(yīng)力位于靠近跨中的位置，對(duì)鋼梁承載能力起控制作用。受支座反力的影響，端部的斜拉桿和端壓桿也具有較高的應(yīng)力水平，對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響明顯。鋼梁中其余桿件的應(yīng)力較小，具有較大的安全儲(chǔ)備。因此，加固方案提升鋼梁承載能力的關(guān)鍵在于改善弦桿的受力狀況和降低端部桿件的應(yīng)力水平。

3 影響因素對(duì)加固效果的影響分析

加固方案在不同工況下的加固效果可能存在差異，本文對(duì)可能影響加固效果的預(yù)應(yīng)力、荷載及撐桿長(zhǎng)度3種因素進(jìn)行分析，探究其對(duì)加固效果影響的一般規(guī)律，為加固方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

六四梁為拼裝式結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件可互換安裝，故跨中上、下弦桿受力及豎向撓度是判定六四梁結(jié)構(gòu)是否安全的主要控制因素，以圖1所示加固方案為研究對(duì)象，以跨中弦桿應(yīng)力和豎向撓度為評(píng)判指標(biāo)分析各影響因素對(duì)加固效果的影響。

3.1 預(yù)應(yīng)力對(duì)加固效果的影響

為確定合理的預(yù)應(yīng)力施加值，以圖1所示六四梁結(jié)構(gòu)為對(duì)象，提取不同預(yù)應(yīng)力作用下，上、下弦桿最大正應(yīng)力和跨中豎向撓度進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 預(yù)應(yīng)力對(duì)加固效果的影響

分析表2可知：①隨著預(yù)應(yīng)力的增大，加固方案中弦桿應(yīng)力和豎向撓度均呈下降趨勢(shì)，即可通過增大預(yù)應(yīng)力不斷提升加固效果。但隨著預(yù)應(yīng)力的增大，弦桿應(yīng)力和豎向撓度的下降速率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)予以注意。②加固方案對(duì)下弦桿應(yīng)力的影響明顯大于上弦桿，這種不協(xié)調(diào)性可能導(dǎo)致加固時(shí)上弦桿應(yīng)力水平處在較高的情況下，而下弦桿已進(jìn)入受壓狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，故加固實(shí)施時(shí)應(yīng)綜合考慮上、下弦桿的應(yīng)力變化，以確定加固所需的預(yù)應(yīng)力大小。

3.2 荷載對(duì)加固效果的影響

本文采用6片主桁的六四梁和特定列車荷載進(jìn)行分析，而實(shí)際搶修時(shí)，不同的六四梁拼組和荷載工況可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所受荷載的變化。此外，在我國鐵路高速、重載的發(fā)展趨勢(shì)下，列車荷載仍有提升的可能。因此，有必要研究荷載變化對(duì)加固效果的影響。列車荷載提升0～20%時(shí)，弦桿應(yīng)力和跨中豎向撓度的變化，分別如表3和表4所示。

表3 弦桿最大正應(yīng)力隨荷載的變化 MPa

表4 跨中豎向撓度隨荷載的變化 mm

由表3和表4可知，①荷載的變化對(duì)弦桿應(yīng)力和跨中豎向撓度的影響明顯。②不同荷載等級(jí)下，弦桿應(yīng)力和豎向撓度隨預(yù)應(yīng)力的變化趨勢(shì)相近，故預(yù)應(yīng)力對(duì)弦桿應(yīng)力和豎向撓度的影響與荷載的關(guān)系較小。③隨著預(yù)應(yīng)力的增大，弦桿應(yīng)力和豎向撓度隨荷載的變化速率逐漸減小，這表明，此加固方案可以減小荷載提升對(duì)弦桿應(yīng)力和豎向撓度造成的不利影響。④隨著荷載的提升，弦桿應(yīng)力和豎向撓度隨預(yù)應(yīng)力的變化速率逐漸增大，由此可知，荷載越大該方案的加固效果越明顯。

3.3 撐桿長(zhǎng)度對(duì)加固效果的影響

加固方案通過在鋼梁端部和撐桿位置施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到加固目的。預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，增大撐桿長(zhǎng)度，可使作用在端部的有效預(yù)應(yīng)力減小，作用在撐桿的有效預(yù)應(yīng)力增大，從而對(duì)加固效果產(chǎn)生一定的影響。在模型中，預(yù)應(yīng)力大小取547.2 kN，分析撐桿長(zhǎng)度0.1～0.3 m以0.1 m為模數(shù)變化時(shí)對(duì)弦桿應(yīng)力和跨中豎向撓度的影響，見表5?？芍?，隨著撐桿長(zhǎng)度的增大，上、下弦桿最大正應(yīng)力和跨中豎向撓度逐漸減小，且平均降幅分別為1.72%，4.75%和2.41%，說明撐桿長(zhǎng)度變化對(duì)下弦桿最大正應(yīng)力的影響最為明顯，跨中豎向撓度次之，對(duì)上弦桿最大正應(yīng)力的影響較小。因此工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)加固需求合理確定撐桿長(zhǎng)度。

表5 不同撐桿長(zhǎng)度對(duì)鋼梁的影響

4 結(jié)論

本文以32 m跨雙層六四梁為研究對(duì)象提出了設(shè)有撐桿的折線形加固方案，從弦桿應(yīng)力和跨中豎向撓度2個(gè)方面分析了預(yù)應(yīng)力、荷載和撐桿長(zhǎng)度的變化對(duì)加固效果的影響，得出了以下結(jié)論：

1)設(shè)有撐桿的折線形加固方案可明顯降低鋼梁弦桿應(yīng)力和豎向撓度，但隨著預(yù)應(yīng)力的增大，弦桿應(yīng)力和豎向撓度的下降速率也隨之減小。

2)不同荷載作用下，弦桿應(yīng)力和豎向撓度均隨預(yù)應(yīng)力的增大呈現(xiàn)相似的下降趨勢(shì)，但隨著荷載的增大，其下降速率也逐漸增大。此外，預(yù)應(yīng)力越大，弦桿應(yīng)力和豎向撓度隨荷載的變化速率越小。

3)預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，增大撐桿長(zhǎng)度，可明顯降低弦桿應(yīng)力水平和跨中豎向撓度，其中對(duì)下弦桿最大正應(yīng)力的影響最為明顯，跨中豎向撓度次之，對(duì)上弦桿最大正應(yīng)力的影響較小。

本文研究了常見的3種因素對(duì)加固效果的影響規(guī)律，對(duì)于實(shí)際搶修中確定加固方案和預(yù)應(yīng)力大小具有一定意義。此外，文中的加固方案可改善弦桿的受力狀況，但對(duì)端部桿件的影響有限，針對(duì)不足之處，可進(jìn)一步加以研究，以探尋更優(yōu)的解決方案。