铁路低高度混凝土梁竖向刚度加固方法的研究与实践

周恩海 上海铁路局工务处

1 引言

调查发现，在既有铁路大量使用的8m跨度低高度钢筋混凝土梁，限于当时的施工条件等多种因素，普遍存在混凝土强度低于设计要求、梁底存在横向裂缝且向腹板及上翼缘发展、梁体抗弯承载能力不足、以及竖向挠度过大等病害，尤其是桥梁竖向挠度过大的问题较为突出，明显降低桥上线路的平顺性，影响行车安全。粘贴钢板和体外预应力等加固技术，在公路桥梁加固工程中已得到广泛应用，积累了许多成功经验，并形成了较成熟的计算理论和设计施工方法。然而此类加固技术在铁路既有线桥梁加固中相关研究不多，应用甚少。本文结合合九铁路8m跨度低高度钢筋混凝土梁的加固工程，通过有限元建模分析、设计方案比选、现场试验性工程验证，对粘贴钢板和体外预应力这两种技术对梁体竖向刚度及承载力加固的理论和方法进行了研究。

2 加固方案

铁路合九线某桥上部结构为11～8.0m低高度钢筋混凝土梁（见图 1），采用专桥（88）1024定型图，于 1992年竣工。2010年9月经铁路检测单位对梁体的测试结果表明：梁体混凝土质量较差，评定强度为C30，低于原设计350号（相当于C33）混凝土强度等级，梁底存在多条横向裂缝且向腹板及上翼缘发展，梁体承载系数为0.97；DF4机车作用下的竖向动挠度最大值达4.51mm，换算得到中—活载（静活载）作用下第2孔梁跨中挠跨比为1/1558，大于《铁路桥梁检定规范》（下称“《检规》”）规定的1/1900的竖向挠跨比通常值。由此可见，梁体承载能力和竖向刚度均已不能满足设计要求，需进行加固处理。

图1 8m跨度低高度钢筋混凝土梁截面(单位：mm)

加固设计时，参考公路桥梁常用的体外预应力和粘贴钢板加固技术，提出了如下三个梁体加固方案：

方案一：腹板或梁底粘贴钢板。即两侧腹板通长粘贴290mm×8mm钢板，或在梁底面粘贴770mm×8mm钢板。

方案二：施加体外预应力。每片梁拟采用4根直径15.20mm预应力钢绞线或直径32mm精轧螺纹钢，对每根预应力钢绞线或钢筋均施加104.2kN的预拉力。施加预拉力大小的控制条件为桥上无列车活载时，梁体上缘混凝土不开裂。鉴于梁体结构高度较小，故预应力钢筋无法采用常见的折线形布置，只能沿梁底面直线布置。

方案三：体外预应力和粘贴钢板综合加固。每片梁拟采用4根直径32mm精轧螺纹钢筋，预拉力值与方案二相同，并在梁底面粘贴770mm×8mm钢板。

3 加固方案的有限元计算分析

3.1 有限元模型

利用有限元软件ANSYS对上述方案进行加固效果分析。模型考虑挡碴墙开缝和模拟裂缝，根据模型与实测梁体刚度相等的原则，参照实测梁体裂缝分布情况，人为设置裂缝模拟开裂，使模型的跨中挠度计算值与加固前梁体实测挠度最大值相等。

对于粘贴钢板方案，采用实体有限元线性模型模拟开裂后的钢筋混凝土梁体，混凝土采用Solid65单元，普通钢筋和预应力钢筋均采用 Link8单元，以板壳单元模拟粘贴在梁体上的钢板，并假定粘贴钢板与混凝土完全变形协调。

对于体外预应力方案，考虑预应力对裂缝闭合的作用，建立实体有限元非线性模型。模型运用Solid65单元自动模拟裂缝的开闭，并考虑预应力筋与钢筋混凝土梁体的联合作用。

3.2 粘贴钢板及体外预应力方案

各加固方案的计算结果见表1所示。

表1 加固计算分析结果

由表可见，腹板贴钢板的方案加固效果不显著，跨中挠度较加固前仅降低5.32%，且上缘砼压应力超过受压容许值（10MPa），不适合单独采用；腹板和梁底均贴钢板的方案加固后梁体跨中挠度降低23.56%，且上缘压应力为9.65MPa，满足强度要求，加固后梁体仍满足适筋条件；研究发现，梁体竖向刚度提高幅度与所贴钢板的截面积近似成正比例关系，因此可根据这一关系合理选择钢板面积。

由表可见，精轧螺纹钢筋加固方案对提高梁体刚度的效果达8.2%。与之相比，由于4根15.20mm钢绞线的截面面积较小，在同等预拉力大小的情况下，钢绞线方案对刚度的加固效果较差，仅为1.9%。与粘贴钢板加固方案所不同的是，预应力加固后梁体的总挠度会在原有基础上降低1.44mm，上缘混凝土应力及梁底钢筋应力都会减小，梁体处于安全状态。

3.3 体外预应力和粘贴钢板综合加固方案

基于线性实体有限元仿真模拟，针对体外预应力同时粘贴钢板的加固方案进行了加固效果分析，得到以下结论：

（1）加固效果与底板或腹板所贴钢板的截面积成正比例关系。在预拉力相等的情况下，预应力筋对刚度提高的幅度与预应力筋的截面积基本成正比。

（2）在开裂后的梁体上进行预应力加固和贴钢板加固，其加固效果基本满足线性叠加关系。

因此，实际应用中可根据需要选择贴钢板和体外预应力联合加固的方案。

4 试验工程的设计与施工

为了从工程的实测数据检验加固效果，最终确定合理的加固方案，在合九线铁路选取了4孔8m跨度低高度桥梁，用三种不同的方法进行试验性加固。加固设计时，在有限元计算结果的基础上，对方案进行了优化。

对第1、2孔梁，采用施加纵向体外预应力方法进行加固，如图2所示。在每片梁底部布置4根钢绞线，并且对每根钢绞线施加预应力110kN，施工时同一孔梁的八根钢绞线同步张拉。预应力筋采用直径15.20mm镀锌低松弛钢绞线，使用特制挤压型锚具，固定端与张拉端采用工厂定制的钢锚座，锚座通过种植高强锚栓（M20×170mm）与梁体底部连接。

图2 第1、2孔低高度梁预应力加固立面图（单位：mm）

对第10孔梁采用粘贴钢板加固方法，如图3所示。每片梁底面粘贴3块320mm×8mm×7500mm的Q235钢板，钢板与梁体用M10化学锚栓固定，采用A级胶进行压力法注胶，钢板粘贴完毕后对外露面进行涂装保护。

图3 粘贴钢板加固（单位：mm）

对第9孔梁采用施加纵向体外预应力与粘贴钢板相结合的方法进行加固，如图4所示。梁体先施加体外预应力，预应力筋改用直径32mm精轧螺纹钢筋，张拉力不变；然后再进行梁体粘贴钢板加固，每片梁底板粘贴1块460mm×8mm×5300mm的Q235钢板，其他同第10孔梁钢板粘贴工法。

图4 预应力+粘贴钢板综合加固（单位：mm）

5 加固效果测试分析

专业检测单位对加固前后梁体的竖向挠度、钢筋应力变化、砼应力变化等进行了检测，同时对加固施工过程进行了安全监测。从4孔梁试验工程的测试结果表明：

（1）采用体外预应力（钢绞线）加固的第1、2孔梁上缘混凝土应力减少4.9%，张拉预应力时梁底钢筋应力减少23.2MPa，加固后梁体裂缝扩展度减少26.8%，表明施加体外预应力对受压区混凝土应力和受拉钢筋应力释放、减小梁体裂缝的扩展度作用较为明显。

但加固后梁体的竖向刚度提高幅度为14.3%，效果不显著，且加固后梁体挠跨比为1/1830，其刚度仍不满足《检规》规定的挠跨比不大于1/1900的要求。

（2）分别采用“体外预应力+粘贴钢板”综合加固和粘贴钢板加固的第9、10孔梁，实测跨中最大挠度较加固前分别减小19.8%和22.8%；加固后第9、10孔梁换算至静中—活载挠跨比分别为1/2568和1/2366，小于《检规》规定的1/1900的竖向挠跨比通常值，表明梁体的竖向刚度已满足《检规》要求。

（3）外贴钢板通过胶黏剂与梁体良好结合，已完全参与梁体的共同作用。加固后第9孔左右片梁实测钢筋应力较加固前分别减小了26.3%和24.4%，第10孔梁分别减小了29.2%和31.2%，加固效果明显。第9孔梁的刚度提高共有两部分组成，其中体外预应力钢筋提高12.8%（贡献率约为69%），粘贴钢板提高5.8%（贡献率约为21%）。

6 结束语

（1）采用体外预应力的加固方法，对于释放受拉区混凝土应力、闭合梁体裂缝有积极作用，竖向刚度和承载力也有一定程度的提高。但是对于低高度钢筋混凝土梁，因其结构高度小，故加固中施加的预应力水平较低，使得加固效果受到较大限制。

（2）对于粘贴钢板加固方法，理论和实测均表明加固效果较好，施工相对简便。设计要求粘贴钢板加固后梁体仍需满足适筋条件，故此方法对于梁体刚度的提高幅度受粘贴钢板的最大截面积制约。

（3）“体外预应力+粘贴钢板”的综合加固方法，综合了预应力对提高梁体刚度、降低混凝土压应力、减小裂缝宽度的优势，以及粘钢对增大梁体刚度的补充作用，采用该方法可以通过调整预应力度和粘钢面积，灵活控制加固效果，这是一种优势互补的理想加固方案。但该方法也存在施工工艺较复杂、工程造价较高的不足。