体外预应力加固重载铁路盖板涵试验研究

崔建龙，王起才，李 盛，王 元，陈 松

(兰州交通大学土木工程学院， 兰州 730070)

体外预应力加固重载铁路盖板涵试验研究

崔建龙，王起才，李 盛，王 元，陈 松

(兰州交通大学土木工程学院， 兰州 730070)

目前大秦铁路运输荷载日趋增加，桥梁的既有损伤不断加重，桥梁不断老化，破损。通过既有盖板涵承载力评估可知，盖板涵混凝土压应力已经超出规范要求。为了改善盖板的受力性能，提高盖板的承载能力，对盖板进行体外预应力加固。根据已加固盖板的室内静载试验和200万次疲劳试验，结合数据研究体外预应力的加固效果。结果表明，体外预应力加固可以大幅度提高盖板的承载能力，在正常使用状态混凝土压应力最大降低约32%。最后，根据力学理论推导体外筋应力增量计算公式，借助试验结果验证理论计算的准确性，为体外预应力加固的实际施工提供理论指导。

重载铁路；盖板涵；体外预应力加固；静载试验；疲劳试验

既有铁路实施重载运输可显著提高机车车辆运转效率，降低单位牵引能耗，减少机车车辆维护费用和设备占用时间，是世界铁路大宗货物运输的主要发展方向。国内外铁路重载运输经验表明，通过对线桥设备进行合理的强化改造，实现在既有铁路开行大轴重货物列车，是提高运输能力与效率的最佳途径，并已得到广泛运用[1-4]。大秦等重载铁路开行了轴重250 kN的长编组列车，年运量及列车密度已居世界领先水平，但运量与运能之间的矛盾仍未得到有效解决。年运输量已远远超出了设计标准，线路上盖板涵结构受力明显增大，盖板涵上出现裂缝增多，掉块范围大，保护层厚度不足，氯离子侵入使钢筋锈蚀、边墙浆砌片勾缝脱落、砂浆变酥等病害。盖板涵的破损，对重载列车安全运营构成了潜在的危险，故通过室内试验盖板涵加固前后数据对比研究，确定对大秦铁路采用合理的体外预应力加固措施[4-6]，保证大秦铁路的安全运营已经凸显重要。

1 体外预应力筋加固设计

1.1 研究背景概述

基于对大秦铁路盖板涵加固课题的探讨，利用相似原理自制一片比例1∶1的盖板涵进行室内试验研究，混凝土和普通钢筋均按现场材料选取。盖板涵长4.5 m，宽1 m，端部高0.37 m，跨中高0.46 m。混凝土构件的强度平均值为20 MPa，弹性模量约为2.8×104MPa，梁体内非预应力纵向受拉钢筋为18根φ16 mm，受压钢筋为6根φ8 mm。

采用体外预应力筋进行加固，在距梁5 cm处设置3根φ25 mm的精轧螺纹钢，距离梁端45 cm处设置锚固装置(主要由植筋，角钢，加劲肋组成)，如图1、图2所示。

图1 体外预应力加固试验盖板涵(单位：mm)

1.2 锚固装置的植筋抗剪抗拔验算

已知植筋直径为16 mm，12根，抗剪强度设计值，抗拉强度设计值分别为140、170 MPa。钢筋偏心距为4 cm。如图2所示。

图2 盖板锚固区加固示意

对受拉、边缘受剪、拉剪组合之结构构件的锚固连接，应控制为锚栓或植筋钢材破坏，不应控制为混凝土基材破坏；对于满足锚固深度要求的化学植筋及长螺杆，不应产生混凝土基材破坏及拔出破坏(包括沿胶筋界面破坏和胶混凝土界面破坏)。

根据规范[7]植筋锚固深度设计值

通过查阅规范，并与实际盖板涵参数对比，试验盖板涵满足抗剪抗拔的最小锚固长度为

ld≥φN×φae×ls=1.21×1.1×219=291.5 mm

取锚固深度：ld=300 mm。

通过锚固区抗剪抗拔验算可知，最大可施加10%体外预应力，选择施加6%的体外预应力对盖板做加固研究。

2 室内盖板涵静载试验

2.1 试验材料仪器和测点的选定

试验仪器：用DJCK-2裂缝测宽仪读取裂缝宽度，采用百分表(量程3 cm)进行量测挠度，采用3816静态应变测试仪量测应变(采用生产标距为80 mm的胶基电阻应变片量测混凝土，采用标距为5 mm的胶基电阻应变片量测钢筋应变)。

测点布置：裂缝观测时均以跨中附近受拉钢筋形心线处构件侧面的裂缝宽度为准，静载过程中，在每级荷载下观察裂缝宽度以及开裂情况；测量挠度时分别在两支座处设置两个百分表，L/4、跨中、3L/4分别设置一个百分表；对于混凝土应变，在试验盖板的跨中截面布置20个电阻应变片，其中底面5个，顶面5个，两侧面各5个；在相应的加载位置布置9个电阻应变片，其中底面3个，两侧面各3个；L/4处布置12个电阻应变片，其中底面3个，顶面3个，两侧面各3个；钢筋应变片分别布置在跨中截面处的受拉钢筋和受压钢筋上，体外无粘结钢筋每根布置2个应变片。

2.2 试验方案

(1)试验前对千斤顶和拉压传感器进行校正。

(2)先做2～3次预加载静载试验，荷载控制值取为25 kN(即疲劳下限值)，用来考查仪表是否正常，荷载是否偏心和减小测试误差[8]。

(3)用放大镜及裂缝测宽仪测试初始裂缝宽度，用百分表测试初始挠度，3816静态应变测试仪测试初始应变。

(4)参照《混凝土结构设计规范》计算盖板开裂荷载值Pcr1，根据计算值确定分级加载，每级加载50 kN，时间间隔取10 min，一直加载至梁体产生0.2 mm裂缝时，停止加载，每级加载后测试裂缝宽度、挠度、应变；然后分级卸载，测试仪器和测点布置如图3所示。

图3 测试仪器和测点布置

3 室内盖板涵静载试验数据及结果分析

3.1 盖板涵加固前的试验数据(表1)

表1 未加固实测数据

3.2 盖板涵加固后的试验数据(表2)

3.3 加固效果评定

(1)加固后截面应变分布结果对比分析见图4。

从表2及图4中可以看出：梁体在加固后的运营阶段，其截面应变基本符合平截面假定，这与加固前的平截面假定的结论一致，而截面应变与体外预应力筋应变增量不符合平截面假定。此时受压区高度约为0.24(h+t)=120 mm，h为盖板涵高度，t为体外预应力筋到梁底的高度。

表2 预应力加固后的实测数据

图4 盖板涵加固后截面应变分布关系

(2)通过应变转化为相应的应力，混凝土、钢筋应变和挠度与施加荷载等级之间的关系分析，其结果见图5。

图5 盖板涵加固后挠度和应力与施加荷载关系

从表1看出，当达到裂缝宽度最大容许值时，普通钢筋拉应力127.4 MPa，远小于其屈服强度，尚有很大的安全储备，而混凝土的压应力已经超过混凝土弯曲受压的容许应力值11.2 MPa，跨中最大挠度5.65 mm已经超过规范容许值L/800。

从表1，表2及图5结果分析，采用体外预应力加固后，盖板涵的承载能力加强，体现在普通钢筋的应力、上表面混凝土压应力和跨中挠度的减小及荷载等级增加上。

相比于加固前混凝土达到正常使用极限状态时，本文施加一定体外预应力加固后，混凝土抗压强度最大降低了32.8%，普通钢筋拉应力降低了15%，跨中挠度最大降低14%。加固效果理想。

4 室内盖板涵疲劳试验

4.1 试验方案

(1)疲劳试验前对构件施加不大于上限荷载20%的预加静载1～2次，消除松动及接触不良，压牢构件并使仪表运转正常。

(2)疲劳开始前，做静载试验，加载方法与前面静载试验相同，安装百分表测试初始挠度，3816静态应变测试仪测试初始应变。

(3)做疲劳试验，考虑实际情况，采用跨中弯矩等效荷载计算法，考虑冲击力影响，轴重为280 kN，取Fmax=320 kN，Fmin=37.12 kN；加载1万次，10万次，50万次，100万次，150万次，200万次时停机做静载试验，试验步骤如盖板涵静载试验[9-11]。

图6 盖板涵加固后疲劳10万次～200万次截面应变随施加荷载分布关系

4.2室内盖板涵疲劳荷载后静载试验数据(表3～表5)

表3 预应力加固疲劳试验后跨中挠度的实测数据

4.3 盖板涵疲劳荷载下加固效果评定

(1)加固后截面应变分布结果对比分析如图6所示。

表4 预应力加固疲劳试验的混凝土受压区应变实测数据

表5 预应力加固疲劳试验体内受拉钢筋最大应变实测数据

从表3～表5及图6中可以看出：梁体在加固后疲劳荷载下的运营阶段，其截面应变仍然符合平截面假定，这与加固前的平截面假定的结论一致，10万次时受压区高度也约为0.24(h+t)=120 mm，且随着疲劳次数的增加，截面受压区高度不断上升，上升幅度很小。而截面应变与体外预应力筋应变增量不符合平截面假定。

(2)体外应力增量及挠度与施加荷载等级之间的关系分析。其结果见图7、图8。

图7 盖板涵加固后跨中挠度与施加荷载关系

图8 盖板涵加固后体外筋应力增量与施加荷载关系

从表3～表5及图7、图8结果分析，采用体外预应力加固在疲劳作用10万次～200万次，盖板涵的承载能力依然是加强的，体现在普通钢筋的拉应力、上表面混凝土压应力和跨中挠度的减小。相比于加固前混凝土达到正常使用极限状态时，采用相同体外预应力加固后，疲劳10万次～200万次后，混凝土抗压强度最大降低了9.3%～15.7%，普通钢筋拉应降低了5%～14.8%，跨中挠度最大降低3%～7.5%。200万次时的疲劳试验混凝土压应力及跨中挠度数据比静载试验加固效果最大降低了10%，普通钢筋变化幅度很小，这很大程度上是由材料疲劳累积损伤的规律所决定的。

4.4 理论分析

对盖板涵模型通过理论分析，建立体外预应力与加载外荷载之间的弯矩平衡方程

式中P0——有效预应力；

ΔP——体外预应力增量(由挠度公式计算)；

h+t-c——体外筋到形心的距离；

L——盖板涵计算跨径。

通过在基于挠度的应力增量公式[12-13]上利用材料力学挠度公式及曲率关系进一步推导得到三分点应力增量公式

由公式(3)得出在静载试验及疲劳10万次时理论计算与实测数据相差小于5%，说明理论计算的可靠性好；但随着疲劳损伤加剧，理论计算就逐渐偏小于实测数据，说明理论计算在考虑疲劳荷载造成梁损伤情况下不适用。

由公式(2)可知，施加最大6%的体外预应力已经完全满足加固要求，当无活载作用，梁体恒载跟体外预应力产生的作用相互抵消，使梁体产生微小的上拱，不会影响梁体的正常使用。

5 结论

(1)通过试验验证，在盖板涵采用体外预应力加固静载和疲劳试验下，梁截面应变平截面假定仍然是成立的、可行的，受压区高度约为0.24(h+t)，在疲劳荷载下，随着疲劳次数的增加，截面受压区高度不断上升，上升幅度很小，但体外预应力应变与梁截面应变不符合平截面假定。

(2)通过试验数据分析，采用体外预应力加固可以提高旧桥承载能力，且效果显著；可以根据公式(2)、(3)所要分担外荷载大小，进行体外预应力的施加，且此方法操作简单，便于随时调整。

(3)在200万次下盖板未发生疲劳破坏，混凝土压应力降低15.7%，挠度减小8%，达到了预期的加固效果，本试验采用的锚固装置完全满足加固要求，有一定应用价值。

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Test and Study on the Reinforcement of Heavy Haul Raiway Slab Culvert with External Prestressing

Cui Jianlong， Wang Qicai， Li Sheng，Wang Yuan，Chen Song

(School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

With the increase of current railway traffic load， the existing defects of bridges are geeing worse， and bridges are subject to constant ageing and damage. The evaluation of the bearing capacity of the existing slab culvert indicates that the compressive stress of the concrete is beyond the standard requirement. In order to improve the mechanical performances of the cover plate and its bearing capacity， reinforcement with external prestressing is applied to the cover plate. According to the indoor static tests of the reinforced plate and fatigue test of 2000000 times， this paper addresses the effect of external prestressing reinforcement with test data. The results show that external prestressed reinforcement can greatly improve the bearing capacity of cover plate， and the concrete compressive stress is reduced about 32% under normal service condition. Finally， according to mechanical theory， this paper deduces the formula for calculating stress increment of external tendons， verifies the accuracy of theoretical calculation based on test results， and provides theoretical guidance for the construction of external prestressing reinforcement．

Heavy haul railway; Slab culvert ; External prestressed reinforcement; Static load experiment; Fatigue test

2013-12-26

长江学者和创新团队发展计划资助(IRT1139)；铁道部科技

崔建龙(1989—)，男，硕士研究生。

1004-2954(2014)10-0066-05

TU378.2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.016

研究开发计划项目(2012G011-A)