铁路简支箱梁受损桥面板补强方案计算分析

葛凯 陈胜利 马宏亮 杨心怡 辛荣亮

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.新长铁路有限责任公司，南京 210005）

一铁路特大桥由跨度24 m 的现浇预应力混凝土双线简支梁组成，设计荷载为双线ZK荷载［1］。梁体采用C50混凝土浇筑，配置HRB400与HPB300钢筋。桥面轨道体系采用无砟轨道结构，底座板内、外侧分别厚14.7，31.8 cm，轨道板厚20 cm，自密实砂浆层厚9 cm。在施工期间，其中1 孔24 m 箱梁的桥面板意外受损，破损部位均位于曲线外侧半幅，桥面板底面破损状态见图1。

图1 桥面板底面破损状态

1 补强方案

为保证箱梁顶板受损部位补强后能够满足运营要求，拟采用增大截面加固法［2-7］对桥面板进行局部补强。具体措施为重新修补箱梁破损区域的桥面板，同时在箱内顶板底面局部增设钢筋混凝土横梁，使增设横梁与顶板形成整体，协同受力。桥面板修补与补强材料采用C50 自密实混凝土，补强横梁厚度为20 cm，配置HRB400 钢筋，采用植入钢筋的方式与原顶板连接。补强横梁内纵横向配筋率与桥面板内配筋率相当。受损箱梁新老混凝土接触面积约40 m2，补强混凝土用量约10 m3。修补范围包括A 区域和B 区域（A 区域顶板底面混凝土缺损厚度为5～20 cm，B区域顶板底面混凝土缺损厚度小于5 cm），表面凿毛并增设混凝土横梁的补强范围包括A 区域、B 区域和周边未受损的C区域，如图2所示。图3为受损箱梁桥面板修补与补强范围截面示意。

图2 受损箱梁顶板修补与补强范围平面示意（单位：m）

图3 受损箱梁桥面板修补与补强范围截面示意（单位：m）

2 计算模型

梁体完好区域C50混凝土的弹性模量按设计值取值［8］；考虑到轨道结构与箱梁顶板为先后浇筑，且界面连接钢筋相对稀疏，将轨道结构混凝土（轨道板为C60，自密实混凝土层和底座板为C40）的计算弹性模量按设计值的1/2 取值以模拟刚度折减；考虑到混凝土现场灌注施工的质量控制相对困难，保守起见认为桥面板修补区域和补强横梁混凝土材料的性能有所降低，其弹性模量按设计值的1/2取值以模拟刚度折减［9］。

以跨度24 m 的受损箱梁为计算对象，对比分析完好箱梁和补强箱梁的桥面板应力状态与竖向变形，以此评估补强效果。ZK 特种荷载作用于受损箱梁顶板破损范围的平面示意如图4。箱梁桥面无砟轨道分别考虑ZK 特种荷载的单线作用和双线作用，每处集中荷载值为ZK 特种荷载单轴重的1/2 即125 kN，荷载纵向间距为1.6 m，横向间距为1.435 m，受损侧半幅4 个轮位均作用于桥面板破损区。同时计入桥面板补强横梁混凝土的自重，重度取26 kN/m3。

图4 ZK特种荷载作用于受损箱梁顶板破损范围平面示意（长度单位：m）

采用ANSYS 有限元软件进行实体建模，模拟箱梁、无砟轨道结构和钢轨，ZK 特种荷载作用于钢轨之上，再通过无砟轨道结构传递至梁体。有限元计算模型如图5所示。底座板、轨道板、自密实混凝土层纵向均按设计要求设置断缝，轨道结构与箱梁桥面板单元共节点。梁体底面边界条件近似模拟梁体实际支承和约束状态。

图5 有限元计算模型

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

截面应变与应力提取位置如图6 所示，圆圈标记处为截面S（参见图4，距小里程侧梁端10 m）顶板底面和补强横梁底面挠度与应力的提取位置。有限元模型的x坐标零点位于小里程侧梁端截面，x轴方向为纵桥向，从小里程侧指向大里程侧为正方向；y轴方向为横桥向，零点位于截面对称轴处，从零点指向修补侧（曲线外侧）为正方向；z轴方向为竖向，竖直向下为正方向。

图6 截面应变与应力提取位置示意

表1 为完好箱梁截面S 顶板底面荷载效应计算结果，可知单线荷载工况下箱梁顶板最大横向拉应力及最大第一主应力较双线荷载工况更大，因此针对完好箱梁和补强箱梁计算结果的对比分析均基于单线荷载工况。补强箱梁截面S顶板补强横梁底面单线荷载效应计算结果见表2。表1、表2 中应力正值表示拉应力，挠度正值表示向下变形。

表1 完好箱梁截面S顶板底面荷载效应

表2 补强箱梁截面S顶板补强横梁底面单线荷载效应

单线荷载工况下完好箱梁和补强箱梁截面S的横向应力云图如图7所示。

图7 单线荷载工况下箱梁截面S横向应力云图（单位：MPa）

3.2 对比分析

由表1、表2 中的计算结果绘制箱梁截面S 受损侧半幅顶板（补强横梁）底面的竖向挠度分布曲线和横向应力分布曲线，见图8、图9。

根据完好箱梁和补强箱梁的有限元计算结果，可知：

图8 箱梁顶板（补强横梁）底面竖向挠度分布曲线

图9 箱梁顶板（补强横梁）底面横向应力分布曲线

1）在单线荷载作用下，完好箱梁截面S 顶板最大竖向挠度为1.24 mm；在单线荷载作用下，补强箱梁截面S 顶板补强横梁最大竖向挠度为1.15 mm，计入补强横梁自重后最大竖向挠度为1.30 mm，竖向挠度与完好箱梁基本相当。

2）在单线荷载作用下，完好箱梁截面S 顶板底面的最大横向拉应力为1.84 MPa，最大主拉应力为1.85 MPa；在单线荷载作用下，补强箱梁截面S顶板补强横梁底面最大横向拉应力为1.12 MPa，最大主拉应力为1.13 MPa，应力水平低于完好箱梁顶板底面，且横桥向分布较完好箱梁更加均匀。

4 结论

在单线ZK 特殊荷载作用下，考虑受损箱梁混凝土桥面板修补区域和补强区域的刚度折减后，补强箱梁桥面板竖向挠度与完好箱梁基本相当且分布更加均匀；箱梁补强横梁底面最大横向应力小于完好箱梁桥面板底面最大横向应力。可知受损箱梁桥面板补强后的刚度略大于完好箱梁，桥面板补强措施效果显著，受损箱梁补强后的力学性能满足运营要求。