鐵路低高度混凝土梁豎向剛度加固方法的研究與實踐

周恩海 上海鐵路局工務處

1 引言

調查發現，在既有鐵路大量使用的8m跨度低高度鋼筋混凝土梁，限于當時的施工條件等多種因素，普遍存在混凝土強度低于設計要求、梁底存在橫向裂縫且向腹板及上翼緣發展、梁體抗彎承載能力不足、以及豎向撓度過大等病害，尤其是橋梁豎向撓度過大的問題較為突出，明顯降低橋上線路的平順性，影響行車安全。粘貼鋼板和體外預應力等加固技術，在公路橋梁加固工程中已得到廣泛應用，積累了許多成功經驗，并形成了較成熟的計算理論和設計施工方法。然而此類加固技術在鐵路既有線橋梁加固中相關研究不多，應用甚少。本文結合合九鐵路8m跨度低高度鋼筋混凝土梁的加固工程，通過有限元建模分析、設計方案比選、現場試驗性工程驗證，對粘貼鋼板和體外預應力這兩種技術對梁體豎向剛度及承載力加固的理論和方法進行了研究。

2 加固方案

鐵路合九線某橋上部結構為11～8.0m低高度鋼筋混凝土梁（見圖 1），采用專橋（88）1024定型圖，于 1992年竣工。2010年9月經鐵路檢測單位對梁體的測試結果表明：梁體混凝土質量較差，評定強度為C30，低于原設計350號（相當于C33）混凝土強度等級，梁底存在多條橫向裂縫且向腹板及上翼緣發展，梁體承載系數為0.97；DF4機車作用下的豎向動撓度最大值達4.51mm，換算得到中—活載（靜活載）作用下第2孔梁跨中撓跨比為1/1558，大于《鐵路橋梁檢定規范》（下稱“《檢規》”）規定的1/1900的豎向撓跨比通常值。由此可見，梁體承載能力和豎向剛度均已不能滿足設計要求，需進行加固處理。

圖1 8m跨度低高度鋼筋混凝土梁截面(單位：mm)

加固設計時，參考公路橋梁常用的體外預應力和粘貼鋼板加固技術，提出了如下三個梁體加固方案：

方案一：腹板或梁底粘貼鋼板。即兩側腹板通長粘貼290mm×8mm鋼板，或在梁底面粘貼770mm×8mm鋼板。

方案二：施加體外預應力。每片梁擬采用4根直徑15.20mm預應力鋼絞線或直徑32mm精軋螺紋鋼，對每根預應力鋼絞線或鋼筋均施加104.2kN的預拉力。施加預拉力大小的控制條件為橋上無列車活載時，梁體上緣混凝土不開裂。鑒于梁體結構高度較小，故預應力鋼筋無法采用常見的折線形布置，只能沿梁底面直線布置。

方案三：體外預應力和粘貼鋼板綜合加固。每片梁擬采用4根直徑32mm精軋螺紋鋼筋，預拉力值與方案二相同，并在梁底面粘貼770mm×8mm鋼板。

3 加固方案的有限元計算分析

3.1 有限元模型

利用有限元軟件ANSYS對上述方案進行加固效果分析。模型考慮擋碴墻開縫和模擬裂縫，根據模型與實測梁體剛度相等的原則，參照實測梁體裂縫分布情況，人為設置裂縫模擬開裂，使模型的跨中撓度計算值與加固前梁體實測撓度最大值相等。

對于粘貼鋼板方案，采用實體有限元線性模型模擬開裂后的鋼筋混凝土梁體，混凝土采用Solid65單元，普通鋼筋和預應力鋼筋均采用 Link8單元，以板殼單元模擬粘貼在梁體上的鋼板，并假定粘貼鋼板與混凝土完全變形協調。

對于體外預應力方案，考慮預應力對裂縫閉合的作用，建立實體有限元非線性模型。模型運用Solid65單元自動模擬裂縫的開閉，并考慮預應力筋與鋼筋混凝土梁體的聯合作用。

3.2 粘貼鋼板及體外預應力方案

各加固方案的計算結果見表1所示。

表1 加固計算分析結果

由表可見，腹板貼鋼板的方案加固效果不顯著，跨中撓度較加固前僅降低5.32%，且上緣砼壓應力超過受壓容許值（10MPa），不適合單獨采用；腹板和梁底均貼鋼板的方案加固后梁體跨中撓度降低23.56%，且上緣壓應力為9.65MPa，滿足強度要求，加固后梁體仍滿足適筋條件；研究發現，梁體豎向剛度提高幅度與所貼鋼板的截面積近似成正比例關系，因此可根據這一關系合理選擇鋼板面積。

由表可見，精軋螺紋鋼筋加固方案對提高梁體剛度的效果達8.2%。與之相比，由于4根15.20mm鋼絞線的截面面積較小，在同等預拉力大小的情況下，鋼絞線方案對剛度的加固效果較差，僅為1.9%。與粘貼鋼板加固方案所不同的是，預應力加固后梁體的總撓度會在原有基礎上降低1.44mm，上緣混凝土應力及梁底鋼筋應力都會減小，梁體處于安全狀態。

3.3 體外預應力和粘貼鋼板綜合加固方案

基于線性實體有限元仿真模擬，針對體外預應力同時粘貼鋼板的加固方案進行了加固效果分析，得到以下結論：

（1）加固效果與底板或腹板所貼鋼板的截面積成正比例關系。在預拉力相等的情況下，預應力筋對剛度提高的幅度與預應力筋的截面積基本成正比。

（2）在開裂后的梁體上進行預應力加固和貼鋼板加固，其加固效果基本滿足線性疊加關系。

因此，實際應用中可根據需要選擇貼鋼板和體外預應力聯合加固的方案。

4 試驗工程的設計與施工

為了從工程的實測數據檢驗加固效果，最終確定合理的加固方案，在合九線鐵路選取了4孔8m跨度低高度橋梁，用三種不同的方法進行試驗性加固。加固設計時，在有限元計算結果的基礎上，對方案進行了優化。

對第1、2孔梁，采用施加縱向體外預應力方法進行加固，如圖2所示。在每片梁底部布置4根鋼絞線，并且對每根鋼絞線施加預應力110kN，施工時同一孔梁的八根鋼絞線同步張拉。預應力筋采用直徑15.20mm鍍鋅低松弛鋼絞線，使用特制擠壓型錨具，固定端與張拉端采用工廠定制的鋼錨座，錨座通過種植高強錨栓（M20×170mm）與梁體底部連接。

圖2 第1、2孔低高度梁預應力加固立面圖（單位：mm）

對第10孔梁采用粘貼鋼板加固方法，如圖3所示。每片梁底面粘貼3塊320mm×8mm×7500mm的Q235鋼板，鋼板與梁體用M10化學錨栓固定，采用A級膠進行壓力法注膠，鋼板粘貼完畢后對外露面進行涂裝保護。

圖3 粘貼鋼板加固（單位：mm）

對第9孔梁采用施加縱向體外預應力與粘貼鋼板相結合的方法進行加固，如圖4所示。梁體先施加體外預應力，預應力筋改用直徑32mm精軋螺紋鋼筋，張拉力不變；然后再進行梁體粘貼鋼板加固，每片梁底板粘貼1塊460mm×8mm×5300mm的Q235鋼板，其他同第10孔梁鋼板粘貼工法。

圖4 預應力+粘貼鋼板綜合加固（單位：mm）

5 加固效果測試分析

專業檢測單位對加固前后梁體的豎向撓度、鋼筋應力變化、砼應力變化等進行了檢測，同時對加固施工過程進行了安全監測。從4孔梁試驗工程的測試結果表明：

（1）采用體外預應力（鋼絞線）加固的第1、2孔梁上緣混凝土應力減少4.9%，張拉預應力時梁底鋼筋應力減少23.2MPa，加固后梁體裂縫擴展度減少26.8%，表明施加體外預應力對受壓區混凝土應力和受拉鋼筋應力釋放、減小梁體裂縫的擴展度作用較為明顯。

但加固后梁體的豎向剛度提高幅度為14.3%，效果不顯著，且加固后梁體撓跨比為1/1830，其剛度仍不滿足《檢規》規定的撓跨比不大于1/1900的要求。

（2）分別采用“體外預應力+粘貼鋼板”綜合加固和粘貼鋼板加固的第9、10孔梁，實測跨中最大撓度較加固前分別減小19.8%和22.8%；加固后第9、10孔梁換算至靜中—活載撓跨比分別為1/2568和1/2366，小于《檢規》規定的1/1900的豎向撓跨比通常值，表明梁體的豎向剛度已滿足《檢規》要求。

（3）外貼鋼板通過膠黏劑與梁體良好結合，已完全參與梁體的共同作用。加固后第9孔左右片梁實測鋼筋應力較加固前分別減小了26.3%和24.4%，第10孔梁分別減小了29.2%和31.2%，加固效果明顯。第9孔梁的剛度提高共有兩部分組成，其中體外預應力鋼筋提高12.8%（貢獻率約為69%），粘貼鋼板提高5.8%（貢獻率約為21%）。

6 結束語

（1）采用體外預應力的加固方法，對于釋放受拉區混凝土應力、閉合梁體裂縫有積極作用，豎向剛度和承載力也有一定程度的提高。但是對于低高度鋼筋混凝土梁，因其結構高度小，故加固中施加的預應力水平較低，使得加固效果受到較大限制。

（2）對于粘貼鋼板加固方法，理論和實測均表明加固效果較好，施工相對簡便。設計要求粘貼鋼板加固后梁體仍需滿足適筋條件，故此方法對于梁體剛度的提高幅度受粘貼鋼板的最大截面積制約。

（3）“體外預應力+粘貼鋼板”的綜合加固方法，綜合了預應力對提高梁體剛度、降低混凝土壓應力、減小裂縫寬度的優勢，以及粘鋼對增大梁體剛度的補充作用，采用該方法可以通過調整預應力度和粘鋼面積，靈活控制加固效果，這是一種優勢互補的理想加固方案。但該方法也存在施工工藝較復雜、工程造價較高的不足。