周恩海 上海鐵路局工務處

1 引言

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(fā)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(shù)，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(jīng)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(shù)在鐵路既有線橋梁加固中相關(guān)研究不多，應用甚少。本文結(jié)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(xiàn)場試驗性工程驗證，對粘貼鋼板和體外預應力這兩種技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jīng)鐵路檢測單位對梁體的測試結(jié)果表明：梁體混凝土質(zhì)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(fā)展，梁體承載系數(shù)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(guī)范》（下稱“《檢規(guī)》”）規(guī)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(shù)，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(cè)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(jié)構(gòu)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(jù)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(xié)調(diào)。

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(lián)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(jié)果見表1所示。

表1 加固計算分析結(jié)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(fā)現(xiàn)，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(guān)系，因此可根據(jù)這一關(guān)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(tài)。

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(jié)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(guān)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(guān)系。

因此，實際應用中可根據(jù)需要選擇貼鋼板和體外預應力聯(lián)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(shù)據(jù)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(jié)果的基礎上，對方案進行了優(yōu)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(jié)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(yè)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(jiān)測。從4孔梁試驗工程的測試結(jié)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(qū)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(guī)》規(guī)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(guī)》規(guī)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(guī)》要求。

（3）外貼鋼板通過膠黏劑與梁體良好結(jié)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(jié)束語

（1）采用體外預應力的加固方法，對于釋放受拉區(qū)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(diào)整預應力度和粘鋼面積，靈活控制加固效果，這是一種優(yōu)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。