六四式铁路军用梁的预应力加固技术研究

马 遥,陈士通,许宏伟,李 锋

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学河北省交通应急保障工程技术研究中心,石家庄 050043)

我国铁路正向高速、重载方向快速发展，列车荷载等级不断提高[1-2]，为满足高速、重载列车的通行要求，铁路桥梁的承载能力必须满足更高的要求。目前，六四式铁路军用梁(以下简称“六四梁”)作为一种铁路抢修钢梁，是自然灾害或战争突发导致桥梁损毁后用于桥梁抢修的主力梁型，但其设计年代较为久远，设计荷载等级较低，已难以适应当前高速、重载铁路的抢修需求。因此，对六四梁进行加固以提高其承载能力已成为一个亟待解决的问题。

预应力技术是一种简单、可靠和经济的加固技术[3-4]，其通过对桥梁上部结构施加预应力，以预应力产生的反弯矩抵消外荷载产生的内力[5]，从而有效提高结构的承载能力和整体刚度[6-10]。目前，我国预应力技术在新桥建设、旧桥加固、建筑改造方面应用广泛[11-19]，但在铁路应急抢修器材中应用较少，相关的研究也亟待深入。

以24 m跨单层六四梁为对象，采取5种不同的加固方案进行研究，分析加固方案和预应力大小对其结构承载能力和整体刚度影响的变化规律，并与未加固钢梁进行对比分析。

1 加固方案

根据钢梁承受竖向荷载时的受力和变形特点，为改善上、下弦杆受力状况，同时减小跨中挠度，共设定了5种加固方案，其中方案1～3为无撑杆加固方案，方案4、5为设有撑杆的加固方案。加固实施时，将预应力索或撑杆置于六四梁下弦杆下侧，通过预应力产生反弯矩来抵消竖向荷载作用下的钢梁内力及下挠[20]。具体如图1和表1所示。

注：细实线表示钢梁，粗实线表示撑杆，虚线表示预应力索。图1 加固方案示意

表1 六四梁加固方案

2 有限元模型的建立

六四梁为多片式拼装结构，采用上承式明桥面，主体材料为Q345低合金钢。本文采用的钢梁计算跨径为24 m，桁高1.5 m，主要组成构件为标准三角、端构架、标准弦杆和端弦杆，其中标准三角由上弦杆、斜腹杆和中竖杆组成，端构架由端压杆、斜拉杆、斜压杆和上、下弦杆组成，各构件内部焊接为整体，构件之间采用销栓连接。

鉴于六四梁结构受力特点，假定各片主梁均匀承载，故此处利用ANSYS建立单片六四梁模型进行相关分析，使用梁单元BEAM189建立主体结构，只承受拉力的杆单元LINK10模拟体外预应力索。将预应力索与钢梁和撑杆的连接视为铰接，不考虑实际锚固和转向装置的影响。

分析时采用φ15.24 mm的钢绞线作为预应力索，张拉控制应力取1 000 MPa，则初始预加力为182.41 kN。采用初始应变法对预应力索施加预应力，通过改变索的数量来施加不同大小的预应力。

对梁跨加载时采用重载铁路荷载图式ZH荷载，六四梁组成按8片主桁考虑，此处取其1/8施加在模型上，荷载系数取为1.2，加载长度按最不利工况进行加载，不计钢梁自重。列车轴重作为节点集中荷载施加，均布荷载使用SFBEAM命令施加。整个分析过程仅限于材料弹性范围内。

3 加固效果分析

鉴于六四梁的结构受力特点，在验证预应力技术对六四梁承载能力和整体刚度的提升效果时，仅对拉压受力最大部位的弦杆(跨中位置附近)、承剪最不利的拉压杆(端构架中的斜拉杆和斜压杆)、端压杆以及跨中竖向挠度进行分析。

3.1 未加固钢梁受力和刚度分析

表2给出了列车荷载作用下，未加固钢梁最不利位置的杆件受力情况。

表2 未加固钢梁主要杆件最大正应力及其位置

注：应力受拉为正，受压为负。

由表2可知，跨中位置附近的上弦杆的正应力水平最高，且接近容许应力限值，对钢梁的承载能力起控制作用。此外，未加固钢梁的跨中挠度为73.2 mm，已超过列车竖向静活载引起的竖向挠度限值L/400的要求。因此，有必要对六四梁的加固技术进行相关研究。

3.2 上、下弦杆受力分析

图2给出了采取不同加固方案时，六四梁最不利位置处的上、下弦杆的应力变化。此外，要掌握各种加固方式对六四梁上、下弦杆的总体影响，还需对不同方案中所有上、下弦杆受力状况进行分析。鉴于不同预应力作用下，各方案中上、下弦杆应力顺桥向的分布状况相近，限于篇幅，此处仅给出预应力为364.83 kN时的上、下弦杆应力分布情况，如图3所示。

图2 最不利位置上、下弦杆正应力变化

上弦杆以受压为主，其应力水平高低不仅对结构强度有明显影响，还对结构的稳定性起着至关重要的作用，所以，此处先对上弦杆进行分析。分析图2(a)可知：(1)加固方式的不同对上弦杆受力情况的改变幅度影响明显，直接布索的加固方式(方案1～方案3)对上弦杆受力的降低基本没有影响，但布索与撑杆结合的加固方式(方案4、5)可明显降低上弦杆的受力。(2)采用方案4或方案5时，上弦杆应力随着预应力的增大基本呈线性下降趋势，其中，采取相同预应力的情况下，方案4产生的应力降幅略大于方案5，且预应力越大，二者差值越明显，说明所施加的预应力越大，方案4的加固效果越明显。

下弦杆以受拉为主，分析图2(b)可知：(1)直接布索和布索与撑杆相结合的加固方案，均可明显降低下弦杆的拉应力。下弦杆拉应力随预应力的增大基本呈线性下降趋势，但不同方案间随预应力增大产生的降幅有所区别，施加的预应力越大，不同方案间的差值越明显。(2)5种加固方案中，当施加预应力相同时，方案1、2对下弦杆应力的降幅影响最低，且两方案效果基本相同，方案3的应力降幅效果居中，方案4、5对下弦杆应力下降的影响尤为明显，但方案5最优。

图3 上、下弦杆总体应力变化

分析图3可知：(1)对于六四梁的总体结构而言，无论采用哪种加固方案，对跨中上、下弦杆的受力影响最为明显，越靠近梁跨端部，影响越小，但局部杆件受力影响可能有所区别，如方案2和方案3的梁跨端部下弦杆，由于预应力索索端的固定方式不同而导致局部杆件的受力变化，说明具体应用时，需要考虑索端固定对局部杆件的受力影响。(2)由于上弦杆以受压为主，加固方案的不同仅影响到上弦杆的应力降低水平，即加固效果；但对于下弦杆而言，由于原结构中下弦杆以受拉为主，预应力的介入有可能导致下弦杆受力方式的变化，如端部下弦杆的受力状态可能由受拉改变为受压，且越靠近端部，改变幅度越加明显。(3)各方案中下弦杆压应力极值均出现在索端附近。受索端位置的影响，方案1、4和方案5的下弦杆最大压应力明显大于方案2、3，故其对杆件稳定性的不利影响更大。工程应用时，应根据具体情况进行分析，以避免预应力施加过大时，下弦杆改为受压控制，继而引发安全事故。

3.3 端构架斜拉、压杆受力分析

图4分别给出了5种方案中不同预应力作用下，端构架处斜拉杆和斜压杆的最大正应力。

图4 斜拉、压杆最大正应力变化

分析图4(a)可知，5种加固方案均可改变端构架斜拉杆的受力情况，但加固方案的不同将导致不同的改善效果，如方案1、2对斜拉杆的受力改善效果一般；方案4、5对斜拉杆的受力改善效果较为明显，斜拉杆最大正应力随预应力的增大呈线性下降趋势；方案3对斜拉杆的受力改善效果最为明显，且随着预应力的增大，其受力状态由受拉改为受压，究其原因在于预应力索在斜拉杆和端弦杆端部固定，随着施加预应力的增加，将逐渐改变其受力状态，故采取方案3进行加固时应注意斜拉杆的失稳破坏。

同样，由图4(b)可知：(1)方案1、2对斜压杆受力的降低基本没有影响；方案3～5可明显改变斜压杆的受力。采用方案4、5时，斜压杆应力随预应力的增大基本呈线性下降趋势，采用方案3时，斜压杆应力随预应力的增大呈现先减后增的趋势。(2)预应力相同时，方案5产生的应力降幅略大于方案4，且预应力越大，二者间的差值越明显，说明所施加的预应力越大，方案5对斜压杆应力水平的降低越明显。(3)在正常的预应力范围内，方案3使斜压杆受力降低，说明方案3对斜压杆应力的影响以有利为主，但预应力过大时可能产生不利影响。

综合各方案对斜拉、压杆受力情况的影响可知，方案1、2对斜拉、压杆基本无影响；方案3～5可降低斜拉、压杆的应力水平，从而提高钢梁端部的抗剪性能，但在实际工程应用时，采用方案3时，应避免因预应力过大导致斜拉杆受压失稳的现象出现。

3.4 端压杆受力分析

六四梁作为简支梁结构承载时，端构架的端部竖杆(端压杆)直接位于支座上方，以受压为主，其受力状态对结构安全影响明显，故提取了5种方案中不同预应力下端压杆的最大正应力进行分析，如图5所示。

图5 端压杆最大正应力变化

分析图5可知：(1)加固方式的不同导致的端压杆受力改变情况的差异较大，方案2对端压杆受力基本无影响，其余4种方案可明显改变端压杆受力。(2)采用方案1时，端压杆应力随预应力的增大而增大，说明针对于端压杆而言，采用方案1进行加固没有意义；采用方案4、5时，随着预应力的增加，端压杆应力呈线性下降趋势，且所施加预应力相同时，方案5的下降幅度大于方案4；采用方案3时，端压杆应力随预应力的增大呈现先减后增的趋势，说明采用方案3进行加固时，并非预应力越大越好，应合理确定预应力施加值，防止预应力过大带来的负面作用。

3.5 竖向刚度分析

竖向刚度是表征结构受力状态的重要指标之一，为分析不同加固方案对六四梁竖向刚度的影响，图6给出了5种方案中跨中竖向挠度随预应力的变化情况。

图6 跨中竖向挠度变化

分析图6可知：(1)5种加固方案均可显著降低结构的跨中竖向挠度，竖向挠度随预应力的增大呈线性下降趋势，但不同方案间随预应力增大产生的降幅不同，施加的预应力越大，不同方案间的差值越大。(2)当施加预应力相同时，直接布索加固方案1～3对跨中竖向挠度的降幅影响较小，其中方案1、2降幅最小，且两方案的效果基本相同，方案3的降幅略大于方案1、2；布索和撑杆相结合的加固方案4、5对跨中竖向挠度下降的影响明显优于直接布索加固方案，但方案5最优。

在整体刚度的提升上，布索和撑杆相结合的加固方案明显优于直接布索加固方案。在跨中竖向挠度限值一定的情况下，方案5可用最小的预应力达到该限值要求，在实际工程中可减少预应力索的使用，从而降低加固成本。

3.6 综合评价

由于未能明显降低对六四梁承载能力起控制作用的上弦杆最大正应力，故方案1～3不能有效提升钢梁的承载能力，但其对跨中挠度的减小较为明显，因而可在实际工程中仅钢梁竖向刚度需要提升时采用。

方案4、5可降低除中竖杆以外所有杆件的应力水平，因而能有效提升结构的承载能力。此外，方案4、5对于整体刚度的提升明显优于方案1～3。方案4和方案5对结构受力和变形的影响相似，但在预应力相同时，方案4对结构承载能力的提升略优，方案5对整体刚度的提升略优。在工程实践中，可根据实际需求选择合适的加固方案。

方案4、5的加固效果优良，但其在钢梁下部设有撑杆，当钢梁下部空间不足时，加固方案将难以实现。因此，研究一种加固效果优良的无撑杆加固方案仍是一项亟待解决的问题。

各方案在实际应用中除对加固效果的关注外，均应注意对局部杆件产生的不利影响，避免因预应力过大引起杆件受压失稳，继而引发安全事故。

4 结论

通过对24 m跨单层六四梁5种加固方案的有限元分析可知：(1)直接布索的加固方案1～3不能有效提升结构的承载能力，但对整体刚度的提升较为明显；(2)布索和撑杆结合的加固方案4、5可有效提升钢梁承载能力，且对整体刚度的提升明显优于直接布索的加固方案；(3)布索和撑杆结合的加固方案中，单撑杆方案对承载能力的提升略优，双撑杆方案对整体刚度的提升略优。(4)预应力加固可能对钢梁中局部杆件的稳定性产生一定影响。本文验证了运用预应力技术对六四梁进行加固的可行性，总结了加固方案存在的不足，对于提高既有铁路抢修钢梁的承载能力具有借鉴意义。