袁偉 上海鐵路局建設(shè)管理處

既有鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁主要病害及加固探討

袁偉 上海鐵路局建設(shè)管理處

以某既有線病害橋梁改造項(xiàng)目為例，闡述該橋出現(xiàn)的主要病害，分析病害產(chǎn)生的原因，選取合理的加固方法并進(jìn)行粗略的加固計(jì)算，為同類橋梁病害處理提供借鑒。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁；主要病害；原因分析；加固方案

1 概述

1955年，我國(guó)鐵路部門研制成功第一片跨度12m的預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁,1956年建成28孔24m跨的新沂河大橋，從而開始了預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)在我國(guó)鐵路上的應(yīng)用。我國(guó)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了4次較大的修改，即60年代～70年代中期預(yù)應(yīng)力梁采用大138、大（65）138和叁標(biāo)外橋006A標(biāo)準(zhǔn)圖；80年代采用叁標(biāo)橋2019標(biāo)準(zhǔn)圖；90年代后采用專橋2059標(biāo)準(zhǔn)圖；自2001年起采用專橋（01）2051標(biāo)準(zhǔn)圖。由于設(shè)計(jì)、施工等方面的原因，原采用大138、大（65）138和叁標(biāo)外橋006A標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)的23.8m、31.7m預(yù)應(yīng)力混凝土梁經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間使用后普遍出現(xiàn)了橫向剛度不足、上拱度過大、有效預(yù)應(yīng)力不足、沿預(yù)應(yīng)力管道縱向裂紋等病害，隨之帶來(lái)了橋上道砟厚度不足、橋梁支座位移量超限、承載能力安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)下降、預(yù)應(yīng)力筋銹蝕等一系列問題。下面以某既有線改造項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力混凝土梁為例，闡述該橋出現(xiàn)的主要病害，分析病害產(chǎn)生的原因，選取合理的加固方法并進(jìn)行粗略的加固計(jì)算。

2 橋梁概況

該橋上部結(jié)構(gòu)為7孔31.7m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋上線路為直線平坡，設(shè)計(jì)圖號(hào)為叁標(biāo)外橋006A，設(shè)計(jì)活載等級(jí)為中-22，由鐵三院設(shè)計(jì)，鐵道部第四工程局第四工程處施工，于1973年10月開工，同年11月底竣工，橋梁實(shí)景見圖1。

圖131.7m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁實(shí)景圖

3 橋梁主要病害

（1）該橋梁體橫向連接薄弱，整體性差，橫向剛度不足。

（2）該橋梁上拱度過大（各孔梁上拱度數(shù)據(jù)見表1,第4孔梁上拱度最大達(dá)122mm），導(dǎo)致梁跨中枕下道砟厚度小于0.25m，造成活載沖擊過大。

（3）該橋梁體有效預(yù)應(yīng)力偏低，承載能力下降，梁體抗裂性能不能滿足規(guī)范要求。

（4）該橋梁體端部存在大量錨端裂紋，梁體腹板外側(cè)存在大量由梁端往橋跨中心延伸的沿預(yù)應(yīng)力管道的縱向裂紋。

表1 各孔梁上拱度數(shù)據(jù)

4 病害分析

4.1 橫向剛度不足原因分析

由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平有限，對(duì)橫向剛度認(rèn)識(shí)不足，按當(dāng)時(shí)規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁橫向連接較弱，整體性差，其次在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)荷載作用下，兩片T梁的豎向變位差和橫向過大振幅造成連接兩片梁體的橫隔板混凝土剝落，鋼板銹蝕，整體性和橫向剛度進(jìn)一步降低。

4.2 上拱度過大原因分析

（1）早期規(guī)范對(duì)預(yù)施應(yīng)力階段梁體預(yù)壓應(yīng)力限值取值過高，造成梁下緣混凝土壓應(yīng)力過大，而混凝土的徐變量與長(zhǎng)期荷載作用下的應(yīng)力值有關(guān)，當(dāng)應(yīng)力小于0.5Ra時(shí)徐變系數(shù)與應(yīng)力之間有線性比例關(guān)系，若應(yīng)力大于0.5Ra時(shí)徐變的增長(zhǎng)比應(yīng)力的增長(zhǎng)快[5]。即早期規(guī)范對(duì)下式中徐變系數(shù)終極值φt=∞的認(rèn)識(shí)不足，從而導(dǎo)致混凝土徐變量過大。

式中f預(yù)為終張拉時(shí)產(chǎn)生的上拱度值，f二期為架梁后道砟等二期恒載引起的撓度，φt=∞為徐變系數(shù)終極值。

（2）查閱該橋施工資料得知，該橋由于施工工期較短，為了縮短工期，施工單位在施工時(shí)使用了快硬水泥，添加了減水劑并采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，造成終張拉時(shí)梁體早期強(qiáng)度較高而相應(yīng)彈性模量較低，加大了梁體的彈性變形；同時(shí)，由于未預(yù)設(shè)反拱，設(shè)計(jì)未對(duì)終張拉時(shí)混凝土的齡期作出規(guī)定，存梁時(shí)間過長(zhǎng)，造成徐變上拱度增大。

4.3 梁體抗裂性能不足原因分析

（1）早期規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力損失估計(jì)不足，特別是按照1975年及以前規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失過大，造成有效預(yù)應(yīng)力不足。以叁標(biāo)外橋006A標(biāo)準(zhǔn)圖為例，預(yù)應(yīng)力筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1470MPa，按相應(yīng)年代設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的跨中預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失為451.1MPa，而按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的跨中預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失為524.3MPa，兩者相差為73.2MPa。

（2）設(shè)計(jì)未對(duì)終張拉時(shí)混凝土的齡期未作出規(guī)定，而且施工質(zhì)量不高，導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度偏低。

（3）上拱度過大引起預(yù)應(yīng)力損失，導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力降低。

4.4 沿預(yù)應(yīng)力管道的縱向裂紋原因分析

（1）早期規(guī)范對(duì)預(yù)施應(yīng)力階段梁體壓預(yù)應(yīng)力限值取值過高，而腹板厚度過薄，保護(hù)層厚度小，由此產(chǎn)生很大的橫向拉應(yīng)力；而施工質(zhì)量不高，粗骨料少，水泥漿多而導(dǎo)致收縮過大也是一個(gè)原因。

（2）設(shè)計(jì)未對(duì)終張拉時(shí)混凝土的齡期作出規(guī)定，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度偏低。

5 病害加固方案探討

該橋?yàn)楦删€鐵路橋梁，全橋如果換梁不僅施工難度大，費(fèi)用高，而且影響鐵路運(yùn)輸組織和運(yùn)營(yíng)安全。因此對(duì)該預(yù)應(yīng)力混凝土病害橋梁需尋求一種簡(jiǎn)單可靠且對(duì)運(yùn)輸影響又小的加固方案。

5.1 橫向剛度不足加固方案

經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，通過在既有橫隔板位置旁邊增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橫向聯(lián)結(jié)板的方式（如圖2所示）可以有效增加梁體的橫向剛度，從而有效解決梁體橫向剛度不足的問題，經(jīng)計(jì)算該加固方式使每片梁恒載約增加3.59kN/m。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橫向加固示意圖

5.2 上拱度過大處理方案

上拱度超限導(dǎo)致梁跨中枕下道砟厚度不足，可以采取增加橋上道砟厚度的方式處理，增加道砟厚度引起的二期恒載可以通過加固提高豎向承載能力解決，假設(shè)橋上增加5cm厚度的道砟，將會(huì)使每片梁恒載增加1.94kN/m。

5.3 抗裂安全系數(shù)不足加固方案

橫向加固、道砟厚度增加、梁體有效預(yù)應(yīng)力不足都會(huì)導(dǎo)致承載能力安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)的下降。經(jīng)過計(jì)算，設(shè)計(jì)圖號(hào)為叁標(biāo)外橋006A的31.7m直線梁，由于預(yù)應(yīng)力損失等原因跨中截面承載能力安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)分別為1.954和1.09，《橋檢規(guī)》中規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土梁在主力作用下承載能力安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)分別不得低于1.9和1.15，由此可知梁的承載能力基本滿足要求，抗裂安全系數(shù)不足，因此應(yīng)進(jìn)行提高抗裂安全系數(shù)的豎向加固。

鐵路混凝土橋梁豎向加固常用的有粘貼鋼板、碳纖維加固、體外預(yù)應(yīng)力等方法。碳纖維和粘貼鋼板加固方法是通過增加截面剛度來(lái)減小受拉區(qū)混凝土拉應(yīng)力，從而提高抗裂安全系數(shù)。體外預(yù)應(yīng)力加固方法是通過受拉區(qū)施加預(yù)應(yīng)力從而產(chǎn)生一個(gè)預(yù)壓軸向力和預(yù)彎矩，屬于主動(dòng)加固。因此本橋梁病害更適合采用施加體外預(yù)應(yīng)力的加固方法，即在梁體內(nèi)外兩側(cè)布置體外預(yù)應(yīng)力束，錨固在梁體的腹板上，加固簡(jiǎn)圖如下圖3所示。每片梁采用2×4根直徑17.8mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，對(duì)每根鋼絞線均施加150kN的預(yù)拉力,以平衡預(yù)應(yīng)力損失及橫向加固、道砟厚度增加引起的二期恒載。加固計(jì)算中未考慮體外預(yù)應(yīng)力的損失，數(shù)據(jù)如下表2所示，加固后跨中截面抗裂安全系數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表2 體外預(yù)應(yīng)力加固簡(jiǎn)要計(jì)算數(shù)據(jù)

圖3 體外預(yù)應(yīng)力束豎向加固簡(jiǎn)圖

以上加固計(jì)算只是理論上粗略的計(jì)算，由于此類橋梁病害較多，各種因素引起的預(yù)應(yīng)力損失真實(shí)值較難掌握，預(yù)應(yīng)力筋腐蝕情況及尚存預(yù)應(yīng)力值等結(jié)構(gòu)現(xiàn)有狀況了解不夠，因此具體加固的預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面積及預(yù)應(yīng)力張拉值需采用靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過理論計(jì)算得出。

5.4 沿預(yù)應(yīng)力管道的縱向裂紋處理方案

參考杜存山，祝和權(quán)[3]在青藏鐵路32m預(yù)應(yīng)力混凝土梁預(yù)應(yīng)力管道縱向裂紋的修補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)，采用柔性環(huán)氧裂縫注漿材料封閉裂縫，以防止預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕，并在混凝土表面涂防護(hù)涂料以提高橋梁的耐久性。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）掌握該類型橋梁的現(xiàn)有狀況特別是預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕狀態(tài)是進(jìn)行該類橋梁的進(jìn)行維修加固的基礎(chǔ)。

（2）由于該類橋梁徐變變形已基本完成，對(duì)其豎向加固所施加的體外預(yù)應(yīng)力相對(duì)較小，施加體外預(yù)應(yīng)力只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)小的彈性上拱，可以不考慮體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的新徐變變形。

（3）本文只是對(duì)該橋梁加固的粗略計(jì)算，對(duì)此類橋梁進(jìn)行具體加固設(shè)計(jì)，需對(duì)橋梁進(jìn)行全面檢測(cè)，了解結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有狀況，包括橋梁的強(qiáng)度安全系數(shù)及抗裂安全系數(shù)等，并要考慮體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向處的滑移及體外預(yù)應(yīng)力鋼束的二次效應(yīng)等。

（4）隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，運(yùn)輸能力的不斷提升，該類橋梁的病害將會(huì)不斷出現(xiàn)，采用合理的加固方式處理該類橋梁病害，不僅施工簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，而且對(duì)運(yùn)輸影響小，具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

[1]王振華.我國(guó)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的發(fā)展.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì). 2004（07）：149-158.

[2]劉椿.朱爾玉.朱曉偉.受腐蝕預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁受力檢算和試驗(yàn)驗(yàn)證.鐵道建筑.2005（12）：1-3.

[3]杜存山.祝和權(quán).青藏鐵路32m混凝土后張梁裂縫修補(bǔ)材料的研究.涂料工業(yè).200838（8）：27-29.

[4]李萬(wàn)成.混凝土梁病害整治.橋梁隧道病害整治文集.1994.

[5]嚴(yán)國(guó)敏.預(yù)應(yīng)力鐵路簡(jiǎn)支梁上拱度對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)的影響.橋梁隧道病害整治文集.1994.

責(zé)任編輯：許耀元 張建強(qiáng)
來(lái)稿日期：2013-12-19