鐵路32mT梁撞擊損傷修復研究

郭 擎

(武漢鐵路橋梁職業(yè)學院,武漢 430050)

近年來,我國車輛撞擊橋梁結構事故頻發(fā),嚴重威 脅橋梁安全[1]。已有許多學者對橋梁損傷修復進行相關研究,陸新征等研究橋梁上部結構在超高車輛撞擊下的破壞模式,并提出基于簡化半正弦撞擊力時程的分析方法[2];李強介紹如何針對不同橋梁結構形式及病害狀況選擇有效的加固方案[3];胡所亭等基于混凝土箱梁底板損傷仿真分析結果,提出采用移動模架支撐主梁后修復受損區(qū)域,采用放松已張拉預應力束并重新張拉的加固方案[4];陳軍民在基于橋梁維修加固基本原則的基礎上,總結拱橋的幾種病害并給出了加固方案[5];杜剛分析鐵路橋梁改造加固的設計與方法[6]。不難看出,以往研究較少涉及車輛撞擊橋梁造成的損傷修復。

以下依托某32m跨預應力混凝土T梁被車輛撞擊損傷后的修復處治工程,結合有限元分析,對其加固方案進行深入研究。

1 工程概況

某鐵跨公既有線橋梁全長45.6m,主跨采用1跨32.6m預應力鋼筋混凝土低高度T形梁,橋臺為耳墻式,基礎類型為鉆孔樁,承臺頂至基底24.5m,支座類型為搖軸支座,橋下凈高5.1m。建成時間為2001年。

T形梁高2.0m,主梁頂寬3.9m。梁體采用C55混凝土,縱向預應力鋼束為9φ15.2mm鋼絞線,公稱直徑為15mm,公稱抗拉強度為1600MPa。2005年,為改善梁體動力性能進行橫向加固,通過增設橫向預應力將雙T梁連接為整體[7-8],橋位和結構橫斷面見圖1、圖2。

圖1 橋位示意

圖2 T梁結構橫斷面示意(單位:cm)

2015年7月,一輛大型翻斗車撞擊該橋主梁,導致T梁跨中處外側翼緣板損傷較大(見圖3),而T梁腹板及底板基本未受到影響。T梁翼緣板混凝土被撞擊后局部破碎,其相鄰部位混凝土開裂,已無法繼續(xù)發(fā)揮承重作用,且破損混凝土隨時有墜落可能。根據(jù)橋梁病害檢測結果,T梁外側翼緣板的損傷范圍沿縱向總長4.5m,為跨中以東1.9m至以西2.6m段。

圖3 T梁被撞擊后損傷照片

2 總體搶險方案比選

針對橋梁被車輛撞擊后產(chǎn)生的病害狀況,提出兩種搶險方案:方案一為更換整跨受損主梁;方案二為針對受損部位進行局部加固處理。

2.1 換梁

將受損的整孔梁進行更換,此方案能夠完全解決問題,效果最好,但也存在許多缺點。首先,本項目設計于20世紀90年代,采用的是低高度T梁,這種梁目前已經(jīng)棄用,如果澆筑新梁,必須重新制作模板,耗時長且費用高。另外,該橋受損區(qū)域只有6m,全部更換非常不經(jīng)濟,且占用鐵路天窗口較多。

2.2 對破損翼緣進行拆除后重新澆筑

僅針對破損范圍進行處理,根據(jù)現(xiàn)場破損狀況,按鋸齒形鑿除單側或雙側翼緣板、擋砟墻,然后再按原樣恢復。該方案新舊混凝土的結合處理是本項目的技術難點,對設計、施工的要求都很高;而且,采用該方案施工時不能妨礙橋下道路的通行,對施工組織要求較高。但此方案有顯著優(yōu)點:①該方案僅針對破損范圍,工程量較小,非常經(jīng)濟;②需要的工期較短,占用鐵路天窗口較少,對既有線影響小。

2.3 方案比選

本項目搶險方案比選結果如表1所示。

表1 搶險方案比較

續(xù)表1

綜上所述,方案二經(jīng)濟性好、對工期要求和既有線的影響都較小,故選擇方案二為本項目實施方案。

3 加固設計方案研究

橋梁加固設計原則:主梁加固應具有針對性且盡量減小對未受損構件的附加損傷,加固范圍應根據(jù)原橋施工圖及事故損傷調查結果進行確定,并經(jīng)現(xiàn)場核對。橋梁加固后結構安全性、耐久性應滿足規(guī)范要求。加固設計應重點考慮新舊混凝土的結合性能[9]。

3.1 加固設計方案

(1)損傷翼緣板拆除及重新澆筑

T梁翼緣板拆除范圍為主梁跨中兩側各3m。其中,跨中以東0.4m處至2.5m范圍內拆除整塊翼緣板;其他區(qū)域拆除T梁外側翼緣板,并將內側翼緣板頂面往下鑿除5cm,并將其鑿毛,鑿毛面積需達到90%以上[10]。損傷翼緣板維修處治方案如圖4～圖6所示。

圖4 整塊翼緣板鑿除示意

圖5 外側翼緣板鑿除示意

圖6 翼緣板鑿除平面示意(單位:cm)

拆除T梁整塊翼緣板,重新設置翼緣板橫向鋼筋及縱向鋼筋,并與原腹板豎向鋼筋連接為整體骨架。鋼筋綁扎完畢后,重新澆筑翼緣板混凝土。為增強新澆筑翼緣板與原有腹板之間縱向水平抗剪性能,與腹板原豎向鋼筋間隔布置。拆除T梁外側翼緣板,重新設置翼緣板外側橫向鋼筋及縱向鋼筋。鑿除外側翼緣板混凝土,保留20cm橫向鋼筋,設置橫向鋼筋與原鋼筋搭接焊。結合面采用混凝土復合界面劑,并澆筑C60微膨脹混凝土。

(2)增設混凝土橫向加勁板

為改善整塊新澆筑翼緣板橫向受力狀態(tài),在T梁跨中以東2m處腹板內外側各增設1道混凝土橫向加勁板[11]。新增加勁板板厚20cm,寬36cm,通過橫向植筋與原腹板連接為整體,植筋直徑為12mm,通穿腹板。新增加勁板豎向鋼筋與新澆筑翼緣板橫向鋼筋綁扎為骨架,并整體澆筑。主梁增設橫向加勁板方案如圖7所示。

圖7 主梁增設橫向加勁板示意(單位:cm)

(3)道砟墻拆除及重新澆筑

拆除跨中兩側各3m范圍內道砟墻,重新布置墻體箍筋及縱向鋼筋,維修處治方案如圖8所示。新設縱筋與保留墻體縱向鋼筋焊接為整體,新設道砟墻與新設翼緣板混凝土整體澆筑。

圖8 道砟墻拆除重新澆筑示意

(4)臨時頂升措施

在鋼筋綁扎完成后頂升梁體,通過計算,頂升力確定為100kN,使上翼緣板的壓應力減少;澆筑混凝土后,千斤頂卸載,主梁恢復正常受力狀態(tài)[12]。頂升支架系統(tǒng)采用鋼管墩結構,在主梁跨中處沿縱向設置2根鋼管墩柱,主梁臨時頂升措施方案如圖9所示。

圖9 主梁臨時頂升方案示意(單位:cm)

(5)粘貼碳纖維布

為了增強新澆筑翼緣板的橫向抗彎強度和抑制裂縫,在主梁跨中兩側各3m范圍內翼緣板頂面,粘貼縱、橫向碳纖維布各一層。

(6)防腐涂裝

為提升橋梁整體景觀和構件防護的需要,對主梁翼緣板底面、腹板側面及底板底面進行涂裝。該涂裝不僅起裝飾美化的作用,還可以阻止混凝土的風蝕、碳化,該涂層體系防腐年限為20年。

3.2 加固結構分析

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件Midas Civil,對單片T梁進行結構分析,模擬主梁原設計狀態(tài)、損傷狀態(tài)及加固后狀態(tài),通過施工階段聯(lián)合截面分析功能模擬跨中附近范圍翼緣板的鑿除及重新澆筑,對施工階段及運營階段主梁結構安全性進行驗算(見圖10、圖11)。此外,采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對計算結果進行校核。

圖10 結構有限元計算模型

圖11 損傷狀態(tài)跨中截面(單位:mm)

橋梁結構分析分別按以下兩個狀態(tài)進行。

①加固前損傷狀態(tài)

按“恒載(包括未損傷部位橋面二恒)+預應力”荷載工況進行施工階段驗算,此階段在不運行列車的情形下清除損傷部位橋面二恒。對比原設計該工況下計算結果。

②加固后狀態(tài)

此階段恢復補強損壞側翼緣板后,原主梁最不利應力狀態(tài)按現(xiàn)有損傷截面承受“恒載(包括未損傷部位橋面二恒)+預應力”與恢復截面承受“損傷部位橋面二恒+活載”兩項疊加而得;新澆筑翼緣板最不利應力狀態(tài)按恢復截面承受“損傷部位橋面二恒+活載”而得[13]。

(1)主梁加固驗算

主梁跨中截面承載能力驗算結果見表2。

表2 主梁跨中截面承載能力驗算結果對比

由表2可知,加固前,損傷強度安全系數(shù)K=2.79>2.0;加固后,跨中截面強度安全系數(shù)K=2.81>2.0。即使在損傷狀態(tài)下,主梁正截面抗彎強度仍滿足規(guī)范要求。

加固后主力工況下主梁跨中正應力值對比見表3。

表3 加固后主力工況下主梁跨中正應力值對比MPa

由表3可知,加固后主力組合作用下,鑿除1/2翼緣板后,原主梁混凝土最大壓應力為19.7MPa;鑿除全部翼緣板后,原主梁混凝土最大壓應力為20.5 MPa,新澆筑翼緣板混凝土最大壓應力為14.9MPa,均不出現(xiàn)拉應力。加固后鑿除1/2翼緣板范圍內主梁混凝土及新澆筑翼緣板混凝土最大壓應力小于19.25 MPa,滿足規(guī)范要求;而鑿除全部翼緣板范圍內主梁混凝土最大壓應力略大于規(guī)范限值。

(2)采用臨時頂升措施后主梁驗算

對比未采用頂升措施與采用頂升措施梁體跨中正截面應力,結果見表4。

表4 頂升對T梁跨中正截面應力的影響 MPa

由表4可知,未采用頂升措施梁體上緣正截面應力最大值超過了規(guī)范限值,采用該措施后,正截面應力最大減少1.2MPa,滿足規(guī)范限值。

(3)新老混凝土結合面抗剪驗算

依據(jù)公路橋梁加固設計規(guī)范[14],有

其中,結合面每延米承受的剪力vd=16.0kN/m;截面計算高度h0=263mm;混凝土fcd=22.4MPa;加固后結合面鋼筋采用φ12mm HRB400鋼筋,間距為100mm,則有

新老結合面抗剪計算結果見表5。

表5 新老結合面抗剪計算 kN/m

由表5可知,新老混凝土結合面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

4 搶險加固施工

本橋搶險加固實際總工期約為15d,主要工程內容包括:清除橋面系、拆除受損翼緣板、布設普通鋼筋及植筋、頂升主梁、翼緣板及橫向加勁板混凝土澆筑、混凝土達到設計強度后千斤頂卸載、粘貼碳纖維布、恢復橋面系以及涂抹防腐涂裝等。本項目搶險加固施工取得經(jīng)驗如下。

(1)對于上跨公路交通要道的既有線橋梁進行搶修加固,并采用支架法進行施工時,需重點加強道路封閉、交通疏導及警示等工作,以避免過往車輛撞擊支架系統(tǒng)。

(2)對C60高強度微膨脹混凝土配合比應進行優(yōu)化設計,以改善其和易性。

(3)臨時頂升系統(tǒng)必須保持穩(wěn)定加載,以保證梁體應力調幅效果。

5 加固后橋梁檢定評估

橋梁加固施工結束后進行檢測評估,采用兩輛DF4機車聯(lián)掛進行靜載試驗和相關速度的動載試驗,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析,得出如下結論。

(1)傷損截面下翼緣活載拉應力、上翼緣活載壓應力均小于相應的計算值,表明傷損橋梁修復后受力滿足修復加固設計要求。傷損梁片跨中豎向撓跨比小于規(guī)范相應通常值要求,表明傷損梁體修復加固后的豎向剛度滿足規(guī)范要求[15]。

(2)在橋上列車較低速度運行條件下,所測傷損梁和左片梁(對比)橫向振幅、橫向振動加速度、橫向自振頻率及豎向振動加速度、豎向自振頻率均滿足要求。從左右兩片梁相應橫豎向剛度指標比較未發(fā)現(xiàn)明顯差異,表明傷損梁體修復后與未受損梁剛度指標接近。

6 結語

鐵路既有線簡支T梁受到失速車輛撞擊后,當僅受壓區(qū)翼緣板損傷而未致受拉區(qū)預應力筋折斷時,可采用拆除受損翼緣板并重新澆筑的加固方案進行搶險修復。相較于采用整孔換梁的方案,該加固方案減少上翼緣壓應力1.2MPa,經(jīng)濟性好、技術難度小、工期短、對既有線的影響較小。根據(jù)加固后橋梁檢測結果,該橋采用主動與被動相結合的措施加固后梁體受力狀態(tài)滿足規(guī)范要求,運營5年無病害出現(xiàn)。該加固方法可為同類橋梁事故搶險提供借鑒。