鐵路橋承臺(tái)病害分析及加固設(shè)計(jì)

靳 飛

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

鐵路橋承臺(tái)病害分析及加固設(shè)計(jì)

靳 飛1，2

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

對(duì)既有鐵路橋開裂承臺(tái)和加固后承臺(tái)分別進(jìn)行受力分析，研究探討承臺(tái)開裂的力學(xué)原因和預(yù)應(yīng)力承臺(tái)加固法的效果。運(yùn)用Ansys軟件建立承臺(tái)空間有限元模型，分析承臺(tái)的受力特性，將計(jì)算結(jié)果與承臺(tái)實(shí)際裂縫的發(fā)展情況進(jìn)行對(duì)比，得出:承臺(tái)頂面裂縫發(fā)展區(qū)域存在拉應(yīng)力，拉應(yīng)力是導(dǎo)致承臺(tái)開裂的力學(xué)原因;對(duì)承臺(tái)施加預(yù)應(yīng)力，分析承臺(tái)預(yù)應(yīng)力加固后的受力特性，得出:沿實(shí)際裂縫發(fā)展方向未出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明預(yù)應(yīng)力承臺(tái)加固法改善了承臺(tái)的受力狀況，對(duì)裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展能起到抑制作用;

鐵路橋;承臺(tái)加固;數(shù)值仿真;裂縫

1 概述

近年來，鐵路混凝橋病害承臺(tái)的數(shù)量急劇增長(zhǎng)，成為橋梁維護(hù)工作者的一大負(fù)擔(dān)［1］。我國(guó)鐵路橋墩承臺(tái)之所以產(chǎn)生如此嚴(yán)重的病害，主要原因是早以前我國(guó)鐵路橋墩承臺(tái)的設(shè)計(jì)偏重于滿足剛度等硬指標(biāo)［2］，忽視承臺(tái)的耐久性，隨著時(shí)間的推移，混凝土承臺(tái)由于受荷載、溫度應(yīng)力、凍融、鹽害、碳化等多種物理化學(xué)因素［3］的作用，導(dǎo)致混凝土承臺(tái)產(chǎn)生裂紋，其后果是承臺(tái)承載能力和剛度的降低［4］，嚴(yán)重影響承臺(tái)使用功能和耐久性。所以需要對(duì)開裂的承臺(tái)進(jìn)行加固，通過對(duì)承臺(tái)施加預(yù)應(yīng)力，以提供主動(dòng)約束力來控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展［5］，從而使開裂后的承臺(tái)能滿足主要規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營(yíng)要求。

2 加固工程概況

某鐵路高架橋目前為四線鐵路，其中1、2線建設(shè)時(shí)間較早，4線為新建鐵路［6］。現(xiàn)場(chǎng)勘察后發(fā)現(xiàn)高架橋承臺(tái)開裂是普遍情況，其中個(gè)別承臺(tái)開裂情況嚴(yán)重，且大部分裂縫在承臺(tái)表面呈現(xiàn)一定規(guī)律性，即從墩柱底四個(gè)角開裂，分別向每側(cè)的中線匯合后再延至承臺(tái)四邊的中線位置后，順承臺(tái)頂向下發(fā)展，具體參見圖1。

圖1 基礎(chǔ)承臺(tái)頂面裂縫示意

3 承臺(tái)開裂原因的數(shù)值分析

3.1 承臺(tái)有限元模型的建立

承臺(tái)有限元模型包含了橋墩、承臺(tái)和樁。其中，墩取0.5 m，樁取1.6 m，且樁外臂與承臺(tái)不相互作用。模型采用solid45實(shí)體單元進(jìn)行離散［7］，共有36 560個(gè)單元，27 836個(gè)節(jié)點(diǎn)，將樁底面上所有節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度均進(jìn)行約束，在承臺(tái)頂部施加由上部結(jié)構(gòu)及橋墩傳下來的3 533 kN的豎向力，有限元模型如圖2。

圖2 承臺(tái)有限元模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為承臺(tái)頂面主拉應(yīng)力σ1分布云圖，由該圖可知:沿實(shí)際裂縫發(fā)展方向，主拉應(yīng)力均大于0，且最大主拉應(yīng)力約為0.3 MPa，表明承臺(tái)頂面裂縫發(fā)展區(qū)域確實(shí)有拉應(yīng)力存在。

通過對(duì)上述資料的分析，初步得出病害原因:首先承臺(tái)及樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)滿足當(dāng)時(shí)規(guī)范的要求，承臺(tái)的尺寸及樁基的布置滿足剛性角的需要，開裂的原因主要是由于在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)低(本橋承臺(tái)為C18混凝土)，承臺(tái)配筋量小，致使混凝土承載能力較低，難以應(yīng)付常年運(yùn)營(yíng)荷載作用下的各種外界環(huán)境的侵蝕和破壞。由于承臺(tái)內(nèi)鋼筋很少，只在承臺(tái)底面及樁頂處各布置了1層鋼筋網(wǎng)，承臺(tái)混凝土一旦由于各種原因出現(xiàn)初始裂縫，承臺(tái)剛度會(huì)隨之降低，又缺乏鋼筋對(duì)裂縫的約束，裂縫就會(huì)繼續(xù)發(fā)展，寬度也會(huì)增加。

圖3 承臺(tái)頂面主拉應(yīng)力σ1云圖

4 承臺(tái)加固方案

4.1 加固步驟

主要加固步驟:(1)將原有承臺(tái)側(cè)面挖開;(2)清理承臺(tái)側(cè)面及頂面，將原頂面后澆的混凝土清掉，并清理裂縫內(nèi)殘?jiān)匆筮M(jìn)行植筋，打磨表面混凝土［8］;(3)在承臺(tái)4個(gè)側(cè)面立模板，澆筑混凝土，并預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉孔道;(4)待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分次對(duì)稱張拉承臺(tái)側(cè)面后澆混凝土內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋［9］;(5)澆筑承臺(tái)頂面混凝土;(6)基坑回填。

4.2 加固材料

主要的加固材料有:(1)C30混凝土;(2)低回縮預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860 MPa，彈性模量為 1.95 ×105MPa，符合 GB/T5224—2003標(biāo)準(zhǔn)，錨具采用低回縮錨具，回縮值小于1 mm;(3)HRB335鋼筋。

4.3 預(yù)應(yīng)力的模擬

在空間有限元分析中，預(yù)應(yīng)力的處理方式主要分為兩種:分離式和整體式。分離式就是將混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束的作用分別考慮，以外荷載的形式取代預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，如等效荷載法［10］;而整體式則是將混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束劃分為不同的單元一起考慮，通常用link單元來模擬預(yù)應(yīng)力筋，采用降溫法和初應(yīng)變法來模擬預(yù)應(yīng)力。本文采用等效荷載法來模擬預(yù)應(yīng)力，在加固外包混凝土高度范圍內(nèi)分別施加了3個(gè)350 kN的外力來模擬預(yù)應(yīng)力，有限元模型如圖4所示。

圖4 加固后的承臺(tái)有限元模型

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

圖5為加固后承臺(tái)頂面主拉應(yīng)力σ1分布云圖，由圖5可知:沿實(shí)際裂縫發(fā)展方向，主拉應(yīng)力接近于0 MPa，表明以上加固措施改善了承臺(tái)的受力狀況，對(duì)裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展能起到抑制作用。

圖5 加固后的承臺(tái)頂面主拉應(yīng)力σ1云圖

5 結(jié)論

通過對(duì)某線鐵路承臺(tái)加固方法進(jìn)行有限元分析，得出承臺(tái)裂縫發(fā)展的力學(xué)原因，并驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力承臺(tái)加固法可以提供主動(dòng)約束力來控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于一些裂縫發(fā)展比較嚴(yán)重的承臺(tái)是一種行之有效的處理措施。承臺(tái)的開裂原因很多、也很復(fù)雜，對(duì)承臺(tái)進(jìn)行有限元分析來探究承臺(tái)開裂的原因，以及采用外加預(yù)應(yīng)力的方式對(duì)承臺(tái)做整體加固，是對(duì)類似鐵路橋梁承臺(tái)病害處理的一種嘗試，目前對(duì)該承臺(tái)的加固施工已順利完成，鐵路也在正常運(yùn)營(yíng)中。

［1］ 萬德友.必須高度重視鐵路混凝土梁的病害整治［J］.鐵道建筑，1994(12):7-9.

［2］ 孟凡林.我國(guó)鐵路混凝土梁幾個(gè)典型病害及其整治實(shí)例［J］.鐵道建筑，1994(9):2.

［3］ 袁善堤.超低標(biāo)號(hào)混凝土樁基承臺(tái)加固［J］.浙江建筑，2010(7):43-49.

［4］ 李杰.承載力不足承臺(tái)的加固設(shè)計(jì)研究［J］.公路，2010(7):42-45.

［5］ 黃河.化學(xué)灌漿技術(shù)在承臺(tái)裂縫加固中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2010(21):132-13.

［6］ 沈志文.廣深線混凝土橋梁病害整治［J］.鐵道建筑，2004(11):33-34.

［7］ 樂云祥.高樁承臺(tái)裂縫有限元分析［J］.公路交通科技，2005(2):63-66.

［8］ 任曉光.承臺(tái)大體積混凝土溫度應(yīng)力分析與裂縫控制探討［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010(6):144-147.

［9］ 袁冬.流洪山大橋大體積承臺(tái)裂縫控制技術(shù)［J］.施工技術(shù)研究與應(yīng)用，2005(4):34-39.

［10］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁［M］.北京:人民交通出版社，1988.

Diseases Analysis and Reinforcement Design of Pile Caps of Railway Bridge

JIN Fei1，2
(1.Bridge Engineering Design and Research Institute，China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China;2.School of Civil and Architectural Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

In this paper，stress analyses of the cracked and reinforced pile caps of the existing railway bridge are carried out respectively，so as to investigate on the mechanical reason of pile-cap's cracking and the efficiency of the method of reinforcement with prestressing force.In the meanwhile，this paper applies Ansys software to establish the pile-cap's space finite element model for numerical simulation analysis of stress characteristics.Further，the calculation results are compared with the actual crack situation.That draws the conclusion:there is tensile stress on the crack's developing area at the pilecap's top surface，and the tensile stress is the mechanical reason that causes the pile-cap's cracking.In addition，the stress characteristics of the reinforced pile cap are analyzed after being reinforced with prestressing force，and then the relevant conclusion is:there is no tensile stress along the crack's development direction.All these shows that the method of reinforcement with prestressing force used in pile cap can improve the stress condition of the pile cap and can control the further development of the crack too.

railway bridge;reinforcement of pile caps;numerical simulation;crack

U445.7+2

A

1004-2954(2012)07-0079-03

2011-12-08

靳 飛(1980—)，男，工程師。