重载铁路桥梁抗剪加固措施

刘俊鹏 司金艳 赵佳成 唐庆宸 朱力 任效佐

1.国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350；2.北京市市政工程研究院，北京 100037；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044

预计到2025年底，全国铁路总里程达16.5万km。其中，重载铁路起着非常重要的作用，尤其在货运方面，朔黄铁路承担了较大的任务。为满足日益增长的运量要求进行了扩能改造，使得运行密度和轴重有所提高。铁路桥梁作为交通基础建设和发展的重要部分，在长期高负载的工作下会加速疲劳退化，给桥梁与列车安全带来了潜在的威胁，须要对梁端抗剪薄弱位置进行疲劳加固。

粘贴钢板法是将用于加固的钢板通过特殊的黏结剂黏合在被加固的梁体表层，钢板和桥梁共同受力，从而改善截面应力状态，提高桥梁的抗剪承载力、保证耐久性等。文献［1］结合实例，介绍了粘贴钢板法的设计及施工工艺。文献［2-3］采用粘贴钢板法加固钢筋混凝土梁，并通过加固后的复合梁弯曲静载和等幅疲劳试验探究了影响加固后梁疲劳性能的因素，包括锚固方式、钢板厚度等。文献［4］对4根采用粘贴钢板法补强的混凝土梁进行了等幅疲劳试验，发现不合理的补强方式会导致梁端弯剪耦合区沿45°主拉应力方向发生疲劳破坏。

随着钢-混凝土组合结构的发展，在此基础上形成了钢板-混凝土组合加固方法。该方法综合了粘贴钢板和扩大混凝土加固技术，在混凝土结构上进行表面加工，再后浇混凝土，待其和抗剪连接件、钢板黏结后成为整体结构，共同受力。文献［5］对8根混凝土梁采用钢板-混凝土组合加固，发现加固后梁的延性有所提高，在某种程度上减小了疲劳损伤，延长了疲劳寿命。文献［6］发现组合结构加固法对钢筋混凝土T梁的抗弯、抗剪性能提高有一定的影响，并提出了用于工程计算的组合加固梁抗剪承载力实用公式。

关于桥梁的加固措施研究比较多，关于抗剪加固，特别是加固后箍筋力学性能的计算公式鲜有涉及。重载铁路桥梁疲劳作用下梁端抗剪性能退化（图1），本文采用粘贴钢板法和钢板-混凝土组合加固法对桥梁进行抗剪加固，得到两种加固梁的梁端抗剪箍筋应力计算公式，并以抗剪承载力作为衡量指标评价了两种方法对桥梁抗剪承载力的优劣程度，为应对朔黄铁路梁端劣化现象提供了解决方案。

图1 梁端斜裂缝

1 预应力混凝土梁桥概况

朔黄重载铁路32 m 跨度预应力混凝土简支梁典型截面见图2。在梁体内部布置箍筋和预应力钢筋来提供梁的抗剪承载力，具体布置情况为：梁体内共布置13束预应力钢筋（图3），预应力钢筋采用钢绞线，钢绞线规格为 5‐7φ5；箍筋选择φ10 mm 的 HRB335 带肋钢筋，距梁端L/16（L为计算跨径）的梁段范围内布置四肢箍，箍筋间距为80 mm，其余部分为双肢箍，在距梁端L/16—L/8 间距为100 mm，其余对抗剪要求小的部分间距为200 mm。

图2 32 m跨度简支梁典型截面（单位：mm）

图3 预应力钢筋布置（单位：cm）

2 未加固桥梁剪力荷载和承载力计算

选取距梁端L/4、L/8 和L/16 处作为控制截面。计算桥梁的最大剪力荷载效应时考虑恒载（梁体自重）、活载（列车运营荷载）的影响。恒载取8.3 t/m。

通过调研发现，朔黄铁路运营列车主要为C64、C70、C80 三种，未来将逐渐开行轴重为 30 t 的 KM98 列车。将列车荷载图式进行简化，见图4。其中运营列车的参数见表1。

表1 运营列车计算参数

图4 朔黄线运营列车荷载计算图示（两辆车）

考虑列车动荷载作用须计算桥梁动力系数。按照铁运函〔2004〕120 号《铁路桥梁检定规范》［7］可以得到预应力混凝土梁桥动力系数为1.194。

通过影响线可以求得在线路运营期间桥梁各控制截面承受剪力的最不利情况。本文选择轴重30 t的KM98列车。以距梁端L/16的截面为例计算最大剪力，其剪力影响线及荷载的最不利布置形式见图5。同理，计算得到L/4、L/8和L/16处最大剪力分别为2 070、2 800、3 450 kN。

图5 L/16截面影响线及最不利荷载位置（尺寸单位：m）

根据TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》［8］计算得到未加固梁体的抗剪承载力，L/4、L/8和L/16处抗剪承载力分别为3 460、6 300、8 740 kN。

3 加固方案及抗剪能力评估

3.1 粘贴钢板加固方案

采用粘贴钢板对梁端进行强化加固（图6），具体措施如下：加固箍板采用宽为10 cm 厚度为5 mm 的Q235钢材，粘贴间距25 cm，将箍板粘贴在从梁端支座至L/4 截面之间。采用压条对箍板进行锚固，确保箍板与原梁体间连接可靠，并在箍板中部加1个压条，使二者共同工作。

图6 粘贴钢板抗剪加固方案

采用粘贴钢板法进行抗剪加固时，梁体斜截面承载力V计算公式为

客户端将伪密钥FA进行HASH_MD5运算，得到密钥RA,该密钥为真密钥，即用来真正作为加解密工作的密钥。服务器端也对伪密钥FB进行HASH_MD5运算，得到密钥RB。客户端用RA对传输的明文数据进行加密，将密文传到服务器后，服务器收到密文后，用RB来解密获得明文，反之亦然。

式中：Vb0为原构件的斜截面承载力，MN；Vb，sp为加固后构件斜截面承载力的提高量，MN；ψvb为抗剪强度的折减系数；fsp为箍板的抗拉强度设计值，取190 MPa；Ab，sp为箍板的截面面积，m2；hsp为箍板与混凝土的黏结高度，m。

通过计算得到采用粘贴钢板法进行加固后梁体L/4、L/8、L/16 处抗剪承载力分别为 4 260、7 100、9 540 kN。与加固前相比，L/4、L/8、L/16 处抗剪承载力分别提高了23%、13%和9%，梁体的安全储备有所增加。

3.2 钢板-混凝土组合加固方案

钢板-混凝土组合加固法是充分依靠钢材的抗拉性能来提高梁体承载力。根据加固位置可以分为抗剪加固和抗弯加固。采用钢板-混凝土组合加固法对距梁端L/4 范围进行抗剪加固，具体措施如下：对结构表面进行凿毛处理，在腹板上打孔、植筋，在厚4 mm的 Q235 钢板上以 100 mm 的间距焊接φ10 × 55 栓钉；在钢板与原结构之间通过钢筋网片与新浇混凝土进行连接，充分保证原结构与加固部分结合，减小结合面的开裂和滑移；新浇混凝土强度等级采用C50。钢板-混凝土组合抗剪加固方案见图7。

图7 钢板-混凝土组合抗剪加固方案

根据文献［9］的研究成果推导出组合加固预应力钢筋混凝土梁桥的抗剪承载力计算公式，即

式中：α1为弯矩影响系数，当计算靠近梁端部分时取1.0；α3为受压影响系数，对于本文 T 梁取 1.1r/(r+ 1)，r为 剪 力 连 接 程 度 ；p= 100ρ，ρ=(As1+As2)/(A0+ An)，其中，As1为原混凝土梁体内纵筋截面面积，As2为底部加固钢板横截面面积，A0为原混凝土梁横截面有效面积，An为新浇混凝土及侧面钢板换算为混凝土后的总面积；fcu，k为混凝土立方体试块抗压强度标准值；ρsv为箍筋配筋率；ψcs为修正系数，与裂缝相关，此处取1；Vb为预应力筋弯起所提供的抗剪承载力。

根据式（3）计算得到采用钢板-混凝土组合加固法进行加固后梁体的L/4、L/8、L/16 处抗剪承载力分别为5 890、7 470、10 600 kN。与加固前相比，L/4、L/8、L/16处抗剪承载力分别提高了70%、21%和18%。

对比两种加固方案可知，采用钢板-混凝土组合加固法后抗剪承载力整体上提升幅度大于粘贴钢板法。此外，与钢板-混凝土组合加固法相比，粘贴钢板法不会破坏原结构，不需要对桥梁表面进行凿毛处理、也不用新浇混凝土，施工工期周期短。因此，粘贴钢板法施工更加方便快捷。

4 加固梁箍筋应力计算方法

4.1 预应力混凝土梁箍筋应力计算公式

根据文献［10］的研究成果得到普通钢筋混凝土梁桥体内抗剪箍筋应力计算公式，进而推导出预应力混凝土梁桥抗剪箍筋应力计算公式。

图8 配有预应力筋梁端应力分析

对截面1、截面2点之间的梁段进行应力分析。该梁段斜向拉力P的计算公式为

式中：c1、c2分别为截面 1 和截面 2 的内力偶臂；b为腹板宽度；σt1为截面1主拉应力；σt2为截面2主拉应力。

本文假设梁段的斜拉力全部由箍筋和弯起的预应力筋承担，偏安全不考虑其他次要影响，则箍筋应力σsv的计算公式为

式中：n1、n2为弹性模量之比，分别表示箍筋、预应力筋与混凝土的弹性模量的比值；Asv为箍筋截面积；Asb为预应力筋截面积。

4.2 加固后预应力混凝土梁箍筋应力计算公式

在式（5）的基础上考虑加固部分对箍筋的影响后，推导加固后预应力混凝土梁箍筋应力计算公式。两种加固方案梁体抗剪受力分析见图9。

图9 混凝土梁体抗剪受力分析

粘贴钢板加固方案中假定梁体粘贴钢板加固后，箍板和箍筋、预应力筋共同承担剪力。箍板和箍筋具有相似的抗剪机理，可采用同样的方式分析。根据普通混凝土梁箍筋应力分析，可以推导得到加固后预应力混凝土梁内箍筋的应力计算公式，即

式中：Sv为箍筋间距；Ssp为箍板间距。

钢板-混凝土组合加固方案中新浇混凝土相当于增加了梁体的截面积，应力分析时采用增大后的截面尺寸。基于安全考虑，假定抗剪承载力全部由箍筋、预应力筋和钢板提供，可以得到组合加固后箍筋应力计算公式，即

式中：P0为组合加固后截面的斜向拉力为z范围内钢板总面积。

与式（5）相比，式（6）分母中多了一项Ab，sp， 即箍板的面积；式（7）分母中多了一项即钢板的面积。由此可知，加固后箍板或钢板分担了箍筋承担的剪力，从而有效降低了荷载作用下的箍筋应力。

5 结论

1）两种抗剪加固方案均能使梁段承载力有比较大的提高，相应地增加了梁体的安全储备。

2）采用粘贴钢板法加固后L/4、L/8、L/16 各控制截面抗剪性能整体上低于钢板-混凝土组合加固法，但粘贴钢板法的施工更加方便快捷。

3）本文提出了两种方法加固后的箍筋应力计算公式，发现用于加固的箍板或钢板与箍筋共同参与抗剪，两种加固方法中箍筋的应力均能够显著减小。