预应力碳纤维板加固重载铁路T梁的效果研究

许宏伟，武启帆，刘永前，李 勇

(1.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障教育部重点实验室,石家庄 050043;2.石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室,石家庄 050043)

引言

随着对在役铁路进行扩能改造,在役铁路桥涵需要承受更大的常态化运营的列车荷载[1-2]。但是,随着使用年限增长、列车轴重及长度增大、运营速度提高,在役钢筋混凝土T梁有可能出现结构强度及承载力降低、挠度偏大和梁底开裂严重等问题,从而危及行车安全[3-5]。为使旧桥、病桥满足正常通行要求,需要对在役钢筋混凝土T梁桥进行加固处理。

目前桥梁的抗弯加固方法主要有增加截面法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维布法以及施加体外预应力法等[6-8]。其中体外预应力加固法由于其出色的加固效果,从诸多加固方法中脱颖而出,通过在主梁外设置高强预应力钢束,使结构产生向上的负弯矩,从而抵消部分因结构自重及静载产生的挠度,达到提高结构承载能力、改善结构抗裂性和耐久性的目的,但布置在主梁外的高强预应力钢束又容易受到环境的影响而锈蚀[9-10]。此外,传统的外部粘贴碳纤维加固技术对于材料本身的高强性能是无法充分发挥的,当受弯构件的钢筋屈服后,碳纤维强度才能被有效地利用[11]。因此,预应力碳纤维板加固法应运而生,与传统体外预应力法相比,碳纤维板更容易与所加固梁体形成粘结加固,因其施工方便、质量较轻、耐腐蚀性强等优点而备受欢迎[12-14]。

目前,国内外研究机构对预应力碳纤维片材加固混凝土受弯构件的承载能力做了很多试验[15-17],但较少有对预应力碳纤维板材加固受弯构件进行系统研究,大多数集中在挠度试验方面,忽略了其应力、裂缝宽度及变形能力研究[18-21]。为深入了解预应力碳纤维板加固对钢筋混凝土T梁的加固效果,根据TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》[22]对更换下来的两片12 m钢筋混凝土T梁(专桥(88)1 024)分别开展未加固与加固试验,从而对在役12 m钢筋混凝土T梁承担当前运营列车荷载下的安全性能作出推演与评价,进而验证同类桥梁的使用安全性。由于预应力碳纤维板加固在重载铁路桥梁改造中运用较少,其加固效果仍需在大轴重铁路桥的正常运营下进行长期监测以及深入研究,为今后工程应用提供理论与技术支持。

1 试验对象

1.1 T梁几何尺寸与配筋

选取某重载铁路上更换下来的一片12 m钢筋混凝土T梁(专桥(88)1 024)作为试验对象,试验梁已运营20年,全长12.5 m,梁高(含挡砟墙)1 150 mm,腹板宽1 100 mm,梁体采用350号混凝土(相当于C33),纵筋及箍筋均采用T20MnSi钢筋(相当于HRB335),纵筋C25 mm,箍筋A8 mm,跨中截面配筋率为2.38%。试验T梁几何尺寸及配筋如图1所示。

图1 T梁几何尺寸与配筋(单位:mm)

1.2 T梁病害现状

此12 m钢筋混凝土梁已经存在裂缝宽度超限、混凝土劣化、钢筋锈蚀等病害。跨中和端部位置均存在混凝土开裂现象,端部表现为斜裂缝。究其原因,由于该桥已正常使用近20年,当时的结构体系分析理论系统还不够完善,湿接头处纵向联系以及抗剪能力较弱,在反复荷载作用下容易产生斜裂缝;跨中左右两侧各4 m范围内裂缝较多,表现为从梁底向梁顶延伸的U形裂缝,裂缝一直延伸至距离梁顶约25 cm处,裂缝宽度位于0.04～0.10 mm之间。其原因可能是由于当时施工过程养护不足,同时在列车反复荷载作用下,腹板存在明显侧弯现象,从而导致腹板产生竖向裂缝。梁体钢筋锈蚀主要位于与泄水孔对应的梁体区域,且腐蚀区域的梁体侧面和底面均存在保护层因锈胀剥落的迹象。试验T梁初始病害分布如图2所示。

图2 T梁初始病害分布

2 12 m钢筋混凝土T梁适应性分析

2.1 T梁内力计算

为探究此类铁路桥梁是否满足现行铁路运输要求,采用能代表日常交通状况的荷载组合。经调查,此重载铁路主要运营的列车类型为C80,占总运量的70%以上,由于KM98列车轴重超过设计活载限值,因此此类列车运营数量较少。列车轴重分布图如图3所示。

图3 列车的轴重分布(轴距单位:m)

内力计算主要考虑梁体自重(折算成29.56 kN/m均布荷载)、二期荷载(主要考虑道砟、轨道、枕木、人行踏板质量,道砟按容重21.0 kN/m3计算,钢轨按75轨计算,其计算均布荷载为0.7 kN/m,按Ⅱ型混凝土枕木计算,其荷载为2.3 kN/m,人行踏板按5.0 kN/m计算,综合算得二期恒载折算均布荷载按26.8 kN/m施加)及列车荷载等在跨中产生的弯矩。内力计算如表1所示。

表1 T梁内力计算

2.2 原梁验算

对于在役铁路桥梁,为验证其适应性,需要按照设计规范对此T梁进行应力、裂缝宽度及挠度验算。原梁验算结果如图4所示。

图4 原梁验算结果

由图4可以看出,通过对此钢筋混凝土T梁的混凝土梁顶压应力、钢筋拉应力、裂缝及跨中挠度验算,表明在中-活载作用下,此T梁虽然能基本满足运营要求,但其梁体状态较差,在KM98列车荷载作用下,其钢筋应力无法满足规范相关限值,因此,需要对此T梁进行加固改造。

3 原梁加固验算

为减小在役钢筋混凝土T梁开裂,进一步保证刚度不折减,同时改善梁内混凝土和钢筋的应力水平,且为保证不影响线路正常运行、不改变原桥结构、施工方便,采用预应力碳纤维板加固。预应力碳纤维板的尺寸为50 mm×3 mm,弹性模量为160 GPa,每根预应力碳纤维板的张拉控制应力σcon=1 500 MPa,经计算,体外预应力损失∑σLi=169 MPa。根据GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》[23],分别计算了1～6块预应力碳纤维板对钢筋混凝土T梁的加固效果。计算结果如表2所示。

表2 不同数量的预应力碳纤维板加固效果

根据GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》[23]及TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》[24],对试验梁进行加固后应力、裂缝宽度及挠度验算,混凝土、钢筋及预应力碳纤维板应力分别如图5～图7所示,裂缝宽度及挠度分别如图8、图9所示。

图5 混凝土压应力的理论分析结果对比

由图5可以看出,采用预应力碳纤维板加固后,各荷载组合下的混凝土压应力均得到明显下降,在最大荷载组合作用下,其混凝土压应力下降了19.6%。

由图6可以看出,加固后的试验梁在恒载+中活载荷载组合作用下钢筋拉应力下降了45.87%,有较大安全储备。其中,加固前试验梁在最大荷载组合作用下不符合规范要求的限值,加固后其钢筋应力下降了45.48%,这是由于加固后整体截面重心下移,从而导致梁底应力和应变减小。

图6 钢筋拉应力的理论分析结果对比

由图7可以看出,各荷载组合作用下,预应力碳纤维板拉应力均满足规范规定的限值。

由图8可以看出,采用预应力碳纤维板加固后,此试验梁转变成类预应力结构,整体裂缝宽度均得到明显降低,延迟了构件的开裂,抑制了裂缝的发展,其中最大荷载组合作用下裂缝宽度下降了40.91%。

图8 裂缝宽度的理论分析结果对比

体外预应力加固的钢筋混凝土简支梁,其弯矩与挠度的变化规律与部分预应力混凝土梁类似。在正常运营状态下,其跨中挠度验算等于活载弯矩产生的挠度及有效预应力产生的反拱叠加而成。由图9可以看出,预应力碳纤维板中有效预应力对梁体产生一个反拱效果,进而显著减小了结构变形,改善了结构刚度,使得加固后的梁体跨中挠度均远低于规范规定的挠度限值。其中最大活载作用下跨中挠度下降了37.12%。

图9 跨中挠度的理论分析结果对比

4 试验研究

4.1 加载机制

因桥梁承载能力较大且在露天场地进行加载,需要特殊设计加载装置,如图10所示。加载反力架采用钢构件拼装而成,支架两端顶部设置上横梁。利用原桥拆除下来的板式橡胶支座放置于梁端与下横梁之间,真实模拟T梁的实际情况。上横梁和下横梁之间采用精轧螺纹钢筋连接,支架和梁顶之间设置液压千斤顶进行加载,并在千斤顶和梁顶之间安装压力传感器获得真实压力值。

图10 试验加载方案示意

4.2 加固方法

考虑加固理论分析结果以及钢筋混凝土T梁底部所需的锚固和张拉空间,最终选择了5块预应力碳纤维板来加固T梁,如图11所示。加固施工过程如下:首先,用打磨机将梁底松散风化的表层混凝土打磨平整,保证预应力碳纤维板与试验梁的粘结牢靠,以形成稳定持久的粘结面;接着,对梁底钢筋位置进行检测并标记,选取合适的位置钻孔并安装锚杆,锚杆上安装锚杆支护;然后,将锚固支座同预应力碳纤维板安装在锚杆支护上,均匀涂抹树脂后通过千斤顶对预应力碳纤维板进行分级对称张拉,张拉完后卸除千斤顶,锁定螺母;最后,将锚固的预应力碳纤维板粘贴在梁底扣上夹板,施工完毕。

4.3 测点布置

混凝土及主筋应变测点、挠度测点布置示意如图12所示。主梁主筋编号依次为G1、G2,其中G1和G2主筋表层稍有锈蚀。

图12 试验测点布置(单位:mm)

4.4 加载机制

为研究试验钢筋混凝土梁的破坏过程,分2个阶段进行加载和卸载。加载采用分级加载的方式,同时采用二期荷载加列车活载作为控制荷载。第一加载阶段按照1.0倍二期恒载+1.0倍C64、1.0倍二期恒载+1.0倍 C70、1.0倍二期恒载+1.0倍C80、1.0倍二期恒载+1.0倍中活载的顺序进行加载,然后卸载。第二加载阶段重复第一加载阶段的六级加载,且后面每个加载等级在前一级基础上增加0.5倍中活载进行加载,直到加载至2 000 kN,梁体破坏。

用预应力碳纤维板加固后的钢筋混凝土梁加载过程和钢筋混凝土梁相同,分2个阶段加载和卸载。第一加载阶段加载和卸载完全相同,第二加载阶段加载至2 385 kN,梁体破坏。

5 试验结果分析

5.1 应力分析

加固前后不同加载工况静力加载试验应力结果对比如图13所示。由图13可以看出,加固前后不同荷载组合作用下试验值均明显小于理论值。在最不利荷载作用下,加固后钢筋应力具有较大的安全储备,达到了加固的目的。其中,梁体混凝土应力试验值与理论值分别减小2.50,2.26 MPa,减小幅度分别为24.15%、19.62%,加固前后试验值与理论值误差分别为10.23%、15.32%;梁体钢筋应力试验值与理论值分别减小82.97,85.77 MPa,减少幅度分别为47.68%、45.45%。加固前后试验值与理论值误差分别为8.46%、11.58%。综上所述,理论计算对预测试验结果仍具有一定的可靠度,为试验的顺利进行提供了便利。

图13 加固前后不同加载工况静力加载试验应力曲线

5.2 裂缝发展规律

随着静力加载试验进程,T梁会出现新的裂缝,并随着荷载等级增加,其宽度都有所发展,且腹板裂缝逐渐由梁底向梁顶方向持续发展,图14为加固前后裂缝宽度随着荷载等级的发展历程。由图14可以看出,随着荷载等级增加,既有裂缝宽度也随着试验进程不断发展,整体上呈增长趋势,虽然预应力碳纤维板不能阻止试验梁的开裂,但仍可限制纯弯段裂缝的向上延伸。在最不利荷载组合作用下,其裂缝宽度与规定的裂缝宽度限值十分接近,究其原因是此桥已运行近20年,考虑钢筋锈蚀、混凝土剥落等问题从而导致梁体刚度降低。采用预应力碳纤维板加固后,裂缝宽度均得到大幅度降低,其中最大荷载组合情况下降低66.68%。

图14 裂缝宽度随荷载等级发展规律

5.3 挠度分析

加固前后不同加载工况后静力加载试验挠度结果对比如图15所示。由于挠度理论计算中未考虑恒载产生的跨中挠度,经计算,恒载产生的跨中挠度为6.65 mm。由图15可以看出,试验值均小于理论值,满足《铁路桥涵设计规范》要求。随着荷载等级增加,各测点挠度大致呈增长趋势,主要原因是随着荷载等级增加,混凝土T梁裂缝不断产生及发展,从而导致其刚度降低。其中在最不利荷载作用下试验值减小2.28 mm,减小幅度为16.31%;理论值减小2.38 mm,减小幅度为16.51%。同时,加固前后试验值与理论值误差分别为6.93%、6.85%,因此,理论计算对预测试验结果具有一定的可靠性,极大地降低了试验难度。

图15 加固前后T梁跨中挠度

6 结论

对某重载铁路在役12 m钢筋混凝土T梁进行了不同荷载组合作用下的静力加载试验,并对加固前后应变、裂缝、变形等参数的变化规律进行观测与测试,经数据整理分析,得到以下结论。

(1)采用预应力碳纤维板加固12 m钢筋混凝土T梁,能够有效降低梁体应力、裂缝宽度和挠度,使梁体受力性能得到改善,证明了预应力碳纤维板加固方法的可靠性和适用性,具有良好的应用前景。在满足规范限值情况下,又具备充足的安全储备,为该技术更好地推广打下基础,也为同类旧桥加固提供了参考与借鉴。

(2)加固前后能够显著提高此T梁的受力性能,混凝土及钢筋应力均得到有效降低,且满足规范规定的限值。其最不利荷载作用下混凝土及钢筋应力分别下降了24.15%、47.68%。

(3)随着荷载等级增加,T梁跨中底面和腹板侧面均新增裂缝,且既有裂缝和新增裂缝的宽度均随荷载等级增加而增加。加固后其最不利荷载组合情况下裂缝宽度下降66.68%。

(4)试验梁采用预应力碳纤维板加固后,轴向力会对试验梁产生反拱现象,从理论计算以及T梁的变形测试可以得知,在对称加载条件下,加固后各荷载组合下的挠度均得到明显下降,说明采用预应力碳纤维板加固后,不仅承载力得到了提高,还间接提高了梁的刚度,其最不利荷载组合情况下跨中挠度下降16.31%。