基于體外預應力的鐵路站場燈橋鋼桁梁加固方案

摘要：鐵路站場燈橋為簡易鋼桁梁結構，運營中常伴有鋼構件銹蝕、結構下撓等病害。通過橋梁計算軟件MIDAS建立模型進行理論分析可知，施加體外預應力，加固對改善桿件應力狀態、抑制下撓具有顯著效果。體外預應力鋼束的錨固、減振具有良好的可行性、可靠性。在增大截面加固的基礎上施加體外預應力，對燈橋鋼桁梁進行加固具有非常好的效果，且施工簡便，對鐵路運營影響相對較小。

關鍵詞：鐵路；體外預應力；鋼桁梁；加固

0" "前言

通常鐵路站場內的燈橋采用鋼桁梁結構，為了跨越多條鐵路股道，鋼桁梁橋跨徑通常為20～45m不等。該類型鋼桁梁具有荷載標準低、剛度低、焊接連接等特點[1]。在多年運營后，由于維護、維修不及時，大部分橋梁均存在桿件嚴重銹蝕、結構下撓甚至振動異常等病害，存在著一定的安全隱患。由于鐵路管理及站場運營需要等原因，對燈橋鋼桁梁進行更換方案不可行，只能實施維修或加固。

目前，國內外對燈橋進行維修加固設計和加固實施的相關文件較少，而大型鋼桁梁加固設計的類型參考程度不高，由此導致其施工難度較大。如何能夠在保證加固效果的前提下，快速施工以減少對鐵路運營的影響，是目前面臨很迫切的問題。采用體外預應力進行加固施工快速、質量可控，但是系統地介紹相關理論、類似研究以及實施案例等均較少。本文根據桿件的實際截面，按照簡支邊界條件建立MIDAS模型，對體外預應力加固效應進行分析。

1" "項目概況

某鐵路站場燈橋為跨度39m簡支鋼桁梁。桁架高度1.5m，寬度為1.2m，節間長度為3m。橋梁上下弦桿由雙肢L75×8mm等邊角鋼拼接而成，支點附近三個節間內加強腹板及平聯采用單肢L65×8mm等邊角鋼，跨中附近腹桿及橫聯、平聯等采用單肢L50×5mm等邊角鋼。橋梁建設年代通常較早，鋼材材質均為Q235。

橋梁的支座采用單端與墩頂預埋鋼板焊接，另外一端利用鋼連桿限制豎向位移的形式。橋梁采用預制混凝土墩柱，預制0.3m×0.3m鋼筋混凝土樁基礎。

鐵路站場燈橋管理保養難度高、實施困難且周期短，經多次重復涂刷后，鋼梁的防腐涂裝層最大厚度達到0.8mm，但是極不均勻，且局部依然存在著銹蝕現象。橋梁桿件的實際銹蝕狀態難以檢測，橋梁跨中最大下撓量已達到140mm。

為了消除安全隱患，需要對鋼桁梁進行加固處治[2]。對于鋼結構而言，局部桿件補強、改變結構受力體系、增加體外預應力鋼束是常用的三種加固技術。體外預應力加固鋼結構工作可在不卸載、不中斷鐵路運營的條件下進行，極大程度的滿足了鐵路運營要求。施加預應力可直接減小變形，調整鋼桁梁桿件的應力狀態，充分利用鋼材高強特性，提高加固效率。

2" "總體體外預應力加固方案

2.1" " 設計原則

對于鋼桁梁橋來講，需根據內力、應力狀態選擇桁式、設計桿件截面、驗算整體及局部穩定性。體外預應力施加后，應降低桿件應力水平，但不得改變原桿件的受力狀態。尤其受拉桿件在轉換為受壓桿件時，應經過嚴格的驗算和論證，以確保橋梁結構安全。這是配置預應力鋼束數量的首要原則。

燈橋鋼桁梁桿件截面尺寸較小，體外預應力鋼束的施加對局部影響巨大。在掌握總體加固效果的同時，更應關注局部細節構造及受力變化。這是方案可行的前提和關鍵。

2.2" "體外預應力鋼束總體布置概述

體外預應力鋼束采用填充型環氧涂層鋼絞線，布置于下弦桿下方，縱向水平布置[3]。為了避免下撓以及張拉后撓曲變形對體外預應力鋼束的影響[4]，鋼束中心距離下弦邊緣距離要超過下撓量，或在體外預應力張拉后，鋼桁梁下弦桿與體外預應力鋼束間應具有一定距離。同時在錨固基座鋼束穿出孔位置要倒角成喇叭形。錨固基座、減振器等均應設置在鋼桁梁節點位置。

在錨固點位置，張拉的預應力鋼束對下弦桿施加了一個水平作用力（并具有一定距離的偏心）。在體外預應力荷載作用下，跨中區段主梁桿件應力變化相對均勻，但錨固區域桿件包括下弦桿、腹桿及橫聯等的應力突變均十分顯著。且隨著桁式的不同，發生應力突變的桿件也不同。為此應根據具體的計算結果，對體外預應力錨固區域附近的桿件提前加固處理。

為了避免橋梁、預應力鋼束振動引起鋼束出現線形變化，影響施加效果，按照不超過10m的原則，分別在四分點位置設置減振器以固定鋼束。減振器應在預應力鋼束張拉并錨固后安裝、緊固，且不得影響鋼束線形。

3" "關鍵技術研究

3.1" " 錨固位置及桿件受力特性變化分析

錨固位置總體上不改變鋼桁梁的整體加固效果，但是對局部桿件的受力狀態改變很大，且與桁式、桿件截面有很大關系。由于錨固端部時與支座位置沖突，改造工作量及施工難度均很大，因此對錨固點設置于距離梁端1.5m（未設置平聯橫桿）和3m（設置有平聯橫桿）處進行比較。

總體上施加體外預應力后對下弦桿受力狀態改變較大[5]。在每個弦桿下方距離中心線150mm處設置2根1860MPa鋼絞線，并張拉至1209MPa時，不考慮錨固點附近2個節間局部應力增大的情況下，下弦桿壓應力增加-159.3～-204.3MPa，在桿件中部設置有平聯的構件應力增加較高。

3.1.1" "錨固于距離梁端1.5m

上弦桿及上平聯桿件應力增加相對較小，上弦桿最大增加拉應力40MPa，上平聯最大增加16.7MPa。由于沒有平聯、橫聯等進行內力傳遞和分配，錨固點位置下弦桿應力存在突變。位于桿件中部（未設置平聯節點）的下弦桿最大應力達到885.7MPa，設置有平聯節點端下弦桿應力達到657.9MPa。下平聯端部斜桿應力增加最大，拉應力增加294MPa。

橫聯應力改變相對較小，最大拉應力增加71.3MPa，且僅影響2個節間。其余節間橫聯受力幾乎不變。對腹桿的影響范圍主要基中在端部1個節間，端部豎桿影響最大，壓應力增加-161.2MPa，第一個節間的斜腹板應力變化141.6MPa。

3.1.2" "設置于距離梁端3.0m

上弦桿及上平聯桿件應力增加相對較小，上弦桿最大增加拉應力83.3MPa，上平聯最大增加35.6MPa，且影響桿件數量少。對應于錨固點位置的下弦桿應力增加較大，兩側增加較均勻，分別為348.4MPa、371.1MPa。下平聯斜桿應力變化最大為124.8MPa。

錨固點處橫聯受力變化較大，最大變化量達到177.1MPa，相鄰節間應力最大變化量為19.0MPa，在遠處節間受力幾乎不影響。對腹桿的影響范圍主要集中于錨固點前后的節間。其中錨固點位置的豎桿和斜桿應力變化量大。豎桿應力變化量達到433.4MPa，斜桿應力最大變化為308.4MPa。

3.1.3" "對比分析及建議

錨固點設置于距離梁端1.5m時，對下弦桿受力影響巨大。其次為錨固點附近的下平聯和腹桿。對上弦桿及上平聯影響較小。錨固點設置于距離梁端3.0m時，對下弦桿以及腹桿受力影響最大，其次為橫聯、下平聯。對上弦桿的影響同樣不能忽視。

體外預應力施加對局部桿件應力影響巨大[6]。通過對比分析，體外預應力錨固點應設置于節點上或設置位置新增加節間，以優化應力傳遞。且應對錨固點附近2個節間的下弦桿、豎桿、以及橫聯（尤其是橫桿）應進行針對性加固。

3.2" " 布束數量研究分析

體外預應力總體上在下弦桿下方成束狀布置，布置數量以改善桿件應力狀態且不改變受力性質為原則。布束數量及張拉控制應力，與鋼桁梁形式、桿件截面尺寸等直接相關。根據桿件的實際截面，按照簡支邊界條件建立MIDAS模型，對體外預應力加固效應進行分析。

在彈性范圍內，加固效應與布束數量及張拉控制應力大小成正比。根據前述計算結果，每個下弦桿下方150mm處布置有2根鋼絞線，且張拉控制應力1395MPa時，下弦桿壓應力增加約-160MPa，鋼桁梁上撓99mm；與自重、二期恒載等組合后，下弦桿具有-87～-110MPa的壓應力；上弦桿壓應力為15～79.7MPa，總體上分布較均勻，端部3個節間范圍應力較小，為15～56.6MPa；跨中上撓+27mm。

同樣位置布置1束、張拉控制應力為1395MPa時，下弦桿壓應力增加約80MPa，鋼桁梁上撓約50mm。與自重、二期恒載等組合后，下弦桿具有12～25MPa的壓應力；上弦桿壓應力為10.6～83.7MPa，由跨中向端部遞減；跨中下撓-22mm。

設計最終數量及張拉控制應力，需要對桿件運營狀態評定后結合加固目標確定。在布束數量級差對加固效果影響較大時，可通過調整預應力設計值調整加固效果。

4" "加固方案及理論效果

根據上述分析對比，在距離端部3.0m處節點位置設置錨固點，每個下弦桿下方150mm處設置2根鋼絞線，對鋼桁梁進行加固是合理的。同時需要對部分桿件進行增大截面加固處理。

鐵路站場燈橋為焊接鋼桁梁，適合于采用增大截面法進行加固。即在既有桿件的側面增加適當厚度的板材，并通過焊接與既有桿件連接為整體。項目中各桿件均焊接10mm厚鋼板進行加固。下弦桿同樣采取該方案，但應注意，既有桿件為雙肢且中間設有綴板或間隙的，應將該間隙添堵，以防止積水進而引起桿件銹蝕。體外預應力錨固采用新增鋼結構基座的方式如圖1、圖2所示。

體外預應力鋼束直線布置，不需要設置轉向裝置[7]。為了避免鋼束因風或其他荷載而引起振動，間隔約10m設置減振器1套，具體位置應結合節間長度確定。減振器采用鋼管、鋼板焊接而成。為了避免對下弦桿造成損傷，減振器利用高強螺栓固定于下弦桿上，如圖3所示。為了保證耐久性，鋼絞線應采用填充型環氧涂層鋼絞線[8]；同時除了錨固位置外，其余部位應設置有聚乙烯套管。

鋼桁梁加固總體上遵循先增大截面，然后施加體外預應力的流程。下弦桿增大截面后，截面面積增加約82%。施加體外預應力后，下弦桿壓應力約81MPa；上弦桿應力狀態變化相對較小。加固前橋梁跨中處下撓-71.8mm，加固后跨中處上撓約24.0mm。

5" "結語

綜上所述，對桿件相對纖細的鋼桁梁燈橋進行體外預應力加固是可行的，且效果顯著。施加體外預應力后，錨固點位置附近的桿件應力變化大，但是影響桿件數量較少，僅對錨固點附近2個節間影響較大，應增大截面加固后方可實施體外預應力。

加固后下弦桿由受拉狀態改變為受壓狀態，壓應力較低且能夠主動調整，桿件穩定性滿足規范要求。體外預應力作用下，鋼桁梁下撓得到了很好的改善，不正常下撓可完全消除。總體上體外預應力加固對鐵路干擾小，施工簡便，效果明顯，針對鐵路站場燈橋鋼桁梁加固是較合理的設計方案。

參考文獻

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