□□ 唐宇哲 (湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽 421200)

引言

如今,我國(guó)在運(yùn)營(yíng)的混凝土鐵路橋梁已經(jīng)達(dá)到13萬座之多,在偏遠(yuǎn)山區(qū)及地形不利等地區(qū)發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。然而,早期鐵路橋梁建設(shè)時(shí),受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)的影響,加上鐵路橋梁檢定標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)歷了多次修訂,導(dǎo)致部分橋梁建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不一[2]。通過長(zhǎng)達(dá)幾十年的運(yùn)營(yíng),部分鐵路橋梁在耐久性能和承載能力上出現(xiàn)了各種各樣的問題,迫使列車通過橋梁時(shí)需限速或者限重,這一現(xiàn)象對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生了不小的影響。在如今鐵路“提速、重載”的大環(huán)境下,這些“問題”橋梁顯然是背道而馳的,隨著今后列車的進(jìn)一步提速和軸重進(jìn)一步增加,部分問題橋梁將無法在鐵路運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

基于此,為了適應(yīng)鐵路大環(huán)境需要,必須讓每座橋梁發(fā)揮其應(yīng)有的作用。若每座橋梁都推倒重建,勢(shì)必會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成不利影響,并且會(huì)影響交通運(yùn)行,同時(shí)給國(guó)家?guī)聿槐匾慕?jīng)濟(jì)損失。所以,從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度考慮,必須對(duì)既有鐵路橋梁性能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而決定是否進(jìn)行推倒重建,或者是在既有鐵路橋梁基礎(chǔ)上進(jìn)行加固處理,延長(zhǎng)其橋梁使用壽命,合理地解決該問題[3]。

1 工程概況

衡陽市某梁式橋于1986年7月開工,同年12月運(yùn)營(yíng),橋梁全長(zhǎng)為48 m,為三跨簡(jiǎn)支普通鋼筋混凝土T梁,跨徑組合為3×16 m。其主梁圖號(hào)為叁標(biāo)橋1023-32,橋梁橫截面尺寸如圖1所示。

圖1 衡陽市某梁式橋截面尺寸圖(單位:mm)

通過查閱該橋梁建成資料,設(shè)計(jì)梁體采用300號(hào)混凝土,選用標(biāo)準(zhǔn)為TJ 10—74《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,后續(xù)為GBJ 10—89《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,取消了混凝土標(biāo)號(hào)強(qiáng)度命名,改用混凝土強(qiáng)度等級(jí)來定義混凝土強(qiáng)度并沿用至今,在該規(guī)范中對(duì)原規(guī)范混凝土標(biāo)號(hào)與現(xiàn)規(guī)范混凝土強(qiáng)度等級(jí)的換算進(jìn)行了說明[4]。按照如今的混凝土強(qiáng)度等級(jí)定義,300號(hào)混凝土強(qiáng)度理論值在C25～C30之間。

通過回彈法對(duì)該橋進(jìn)行梁體強(qiáng)度測(cè)試,并選擇適當(dāng)區(qū)域進(jìn)行碳化深度測(cè)量,查閱JGJ 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》求得該橋梁現(xiàn)役混凝土強(qiáng)度為C25,梁體在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后,混凝土強(qiáng)度降低,低于混凝土初期設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

2 建立有限元模型

2.1 梁體建模

因該橋梁為簡(jiǎn)支梁,故采用Midas civil對(duì)該橋梁中的一跨16 m進(jìn)行有限元建模,全橋共建立33個(gè)節(jié)點(diǎn),32個(gè)單元,橋梁有限元模型如圖2所示,材料主要性能參數(shù)見表1。

表1 材料特性值匯總表

圖2 有限元模型

2.2 重載列車荷載狀況

列車活載圖示是如今鐵路施工設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn),也是鐵路橋梁設(shè)計(jì)過程中的核心數(shù)據(jù)。從1975年開始,我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)荷載經(jīng)歷了多次標(biāo)準(zhǔn)更新,1975年后,我國(guó)鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中均采用中-活載[5],如圖3所示。

圖3 中-活載荷載及特種荷載

如今,我國(guó)重載鐵路荷載主要有C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)、以及KM98(軸重30 t)四種形式,列車詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 我國(guó)重載鐵路列車參數(shù)

2.3 加固方案設(shè)計(jì)

擬采用的體外預(yù)應(yīng)力加固法為折線型布置,通過調(diào)整轉(zhuǎn)向位置和預(yù)應(yīng)力筋彎曲位置、高度,使外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力與預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的內(nèi)力相抵消,從而起到加固卸載的效果[6]。所以,體外預(yù)應(yīng)力筋外形應(yīng)盡量與外彎矩圖一致,布置如圖4所示。

圖4 體外預(yù)應(yīng)力筋折線布置

在T梁下翼緣兩側(cè)分別布置單根通長(zhǎng)1860鋼絞線作為體外預(yù)應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行加固處理,暫不設(shè)置轉(zhuǎn)向塊。因體外索與原結(jié)構(gòu)之間屬于無粘結(jié)狀態(tài),后續(xù)使用過程中出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力損失可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)力與外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力無法抵消,對(duì)最終加固效果會(huì)產(chǎn)生不利影響,可參照J(rèn)GJ 92—2004《粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的體外筋來計(jì)算[7]。

梁肋部施加體外預(yù)應(yīng)力束,鋼束線性圓曲線半徑為12 m。鋼絞線技術(shù)條件必須符合高強(qiáng)度低松弛270級(jí)鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的要求。其中,張拉控制應(yīng)力為855.6 MPa,彈性模量Ey為1.95×105MPa;初始荷載為70%持續(xù)1 000 h的松弛值≤2.5%,單根面積A為140 mm2,加固后鋼束最大應(yīng)力為1 028.1 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼筋材料性能見表3。

表3 預(yù)應(yīng)力鋼筋材料性能

3 加固前驗(yàn)算

3.1 靜力分析

3.1.1剪力與彎矩

通過有限元軟件,以該橋第一跨為例,分析出不同軸重時(shí)列車荷載作用下該跨橋梁不同截面處剪力與彎矩,輸出數(shù)據(jù)見表4和表5。

表4 不同軸重列車作用下橋梁截面彎矩 kN·m

表5 不同軸重列車作用下橋梁截面剪力 kN

結(jié)合表4及表5可知,在重載運(yùn)輸狀態(tài)下,鐵路橋梁主梁內(nèi)力會(huì)產(chǎn)生較大幅度的變化。如今重載列車的普及和列車通過頻次增多,對(duì)于需要通過密集型重載列車的橋梁必須加強(qiáng)其橋梁狀態(tài)的檢查,保證其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài),橋墩和跨中部位應(yīng)注意其病害情況。

3.1.2靜撓度

橋梁靜撓度指數(shù)對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至關(guān)重要,如果鐵路橋梁在正常荷載作用狀態(tài)下靜撓度過大,則說明該橋剛度不足,繼而無法保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及鐵路行車安全。利用有限元軟件分析,在C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)作用狀態(tài)下,豎向靜撓度示意圖如圖5所示。

圖5 不同軸重列車荷載作用下豎向撓度

由圖5可知,隨著列車軸重不斷增加,跨中豎向撓度不斷增大。TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[8]中對(duì)鐵路梁橋豎向撓度規(guī)定,當(dāng)重載鐵路跨度范圍為40 m

3.2 動(dòng)力分析

列車荷載利用節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載進(jìn)行模擬。正常狀態(tài)下,重載鐵路列車運(yùn)營(yíng)速度一般為60～75 km·h-1,故模擬速度為60 km·h-1、65 km·h-1、70 km·h-1與75 km·h-1四種工況。

節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載大小根據(jù)不同列車軸重來設(shè)置,Z方向模擬該軸重列車的豎向荷載,Y方向模擬該軸重列車的橫向作用力。根據(jù)有關(guān)規(guī)定,采取列車豎向荷載的1/3作為其對(duì)于鐵路橋梁橫向作用力。動(dòng)力分析時(shí),簡(jiǎn)化列車荷載如圖6所示。

圖6 列車荷載簡(jiǎn)化示意圖

時(shí)程分析則需先建立模型,得到各種模型數(shù)據(jù),運(yùn)用特性值分析從而達(dá)到控制數(shù)據(jù),繼而創(chuàng)建時(shí)程荷載工況和時(shí)程荷載函數(shù),將節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載輸入,運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析,得到豎向動(dòng)撓度與跨中橫向加速度曲線。其中,時(shí)程函數(shù)如圖7所示。

圖7 時(shí)程函數(shù)圖

利用有限元軟件模擬在C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)列車荷載作用下的四種不同工況,輸出該橋梁最大動(dòng)撓度數(shù)值,從而得出豎向動(dòng)撓度與列車速度的關(guān)系,結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同軸重列車不同工況時(shí)最大豎向動(dòng)撓度

由圖8可知,在同一軸重列車荷載作用下,速度越大,橋梁豎向動(dòng)撓度越大。當(dāng)列車處于60～70 km·h-1時(shí),該橋豎向動(dòng)撓度隨著速度增長(zhǎng)微微增大;當(dāng)列車速度到達(dá)75 km·h-1時(shí),豎向動(dòng)撓度相比低速時(shí)會(huì)顯著變大。以C64(軸重21 t)列車為速度75 km·h-1的工況為例,通過橋梁跨中撓度時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 C64(軸重21 t)列車以75 km·h-1通過時(shí)撓度時(shí)程曲線

可見列車軸重、速度與橋梁跨中動(dòng)撓度息息相關(guān)。當(dāng)重載列車到達(dá)橋梁相同位置,軸重越大或速度越快,跨中動(dòng)撓度則越大;當(dāng)運(yùn)行至鐵路橋梁跨中時(shí),跨中動(dòng)撓度增值達(dá)到最大。

4 加固后驗(yàn)算

在橋梁有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行加固設(shè)計(jì),加固后有限元模型如圖10所示,截面鋼筋布置如圖11所示。

圖10 16 mT梁加固后模型

圖11 鋼束預(yù)應(yīng)力布置

4.1 靜力分析

加固后,靜力荷載與加固前相同,包括結(jié)構(gòu)自身自重與二期恒載,活載為C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)列車作用。

4.1.1剪力與彎矩

利用civil輸出加固后橋梁不同軸重列車在相同工況條件下荷載效應(yīng)值,并將其與加固前荷載效應(yīng)值作對(duì)比,結(jié)果見表6和表7。

表6 加固前后橋梁截面彎矩對(duì)比 kN·m

表7 加固前后橋梁截面剪力對(duì)比 kN

結(jié)合表6及表7可知,通過在梁肋部施加體外預(yù)應(yīng)力束,可明顯改善鐵路橋梁跨中部位彎矩作用力,橋梁整體性能提高,橋梁富余度增加,讓受力結(jié)果更加保守。但對(duì)其支座處剪力作用力影響作用不大,如需改善要通過增大截面或其他加固方法。

4.1.2靜撓度

利用有限元軟件分析,在C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)作用狀態(tài)下,加固前后豎向靜撓度對(duì)比如圖12所示。

圖12 加固前后豎向靜撓度對(duì)比

該橋梁加固后,C64重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從6.826 mm下降至4.537 mm;C70重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從7.453 mm下降至5.157 mm;C80重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從8.486 mm下降至6.177 mm;在KM98重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從10.197 mm下降至7.866 mm?？梢姌蛄贺Q向剛度提高,加固效果明顯。

4.2 動(dòng)力分析

模型加固后,利用有限元軟件模擬C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)列車荷載作用下,處于運(yùn)營(yíng)速度為60 km·h-1、65 km·h-1、70 km·h-1與75 km·h-1四種工況時(shí)該橋梁的最大動(dòng)撓度數(shù)值,并與加固前進(jìn)行對(duì)比,如圖13所示。

圖13 加固前后動(dòng)向靜撓度對(duì)比

由圖13可知,加固后,該橋梁豎向動(dòng)撓度不同軸重的不同速度工況下都有了顯著減小,橋梁豎向剛度明顯增加,說明加固效果良好。

5 結(jié)論

體外預(yù)應(yīng)力加固法是指將預(yù)應(yīng)力鋼筋布置在混凝土界面之外,產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)體系,從而分擔(dān)橋梁承受荷載,永久性提高橋梁承載力[9]。通過將該方法應(yīng)用于重載鐵路T梁加固,利用Midas civil有限元軟件創(chuàng)建了16 m普通混凝土T梁橋,分析其靜力狀態(tài)與動(dòng)力狀態(tài)下橋梁的受力特征與受力情況,主要結(jié)論如下:

5.1 靜力分析中,相同重載列車荷載作用下,彎矩改善效果明顯,但該方法對(duì)支座處受剪力影響不大,豎向靜撓度平均降低了1.5 mm。

5.2 動(dòng)力分析中,豎向動(dòng)撓度平均降低了1 mm,橫向加速度均有所下降,安全容量值大大提高。證明使用該方法對(duì)該橋梁豎向和橫向剛度都有所改善,且加固效果良好。