在役鐵路鋼桁梁預(yù)應(yīng)力加固研究

張愛林,趙海明,劉學(xué)春,張文學(xué)

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

在役鐵路鋼桁梁預(yù)應(yīng)力加固研究

張愛林,趙海明,劉學(xué)春,張文學(xué)

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

鐵路提速、軸重提高,在不中斷交通的情況下,快速提高現(xiàn)有鐵路橋梁的承載能力是目前亟待解決的問題。為推進(jìn)預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固鋼桁梁,以某在役鐵路鋼桁梁為依托工程,提出幾種預(yù)應(yīng)力加固方案,建立有限元模型,對(duì)比分析不同方案加固大跨度鋼桁梁的效果。研究表明:單跨加固可以有效提高鋼桁梁的承載能力但不能有效提高其剛度,而簡(jiǎn)支變連續(xù)加固對(duì)提高其承載能力和剛度效果均比較明顯,在具備條件的情況下,是可優(yōu)先選擇的科學(xué)加固方案。

鐵路橋;預(yù)應(yīng)力;鋼桁梁;加固;有限元模型

1 概述

鐵路橋梁能否適應(yīng)運(yùn)輸?shù)男枰?主要從強(qiáng)度設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度兩方面考慮,按照舊規(guī)范設(shè)計(jì)施工的橋梁承載力不足,導(dǎo)致大量危橋的出現(xiàn)。另外,重載、高速鐵路是鐵路發(fā)展的主要方向,為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)解決橋梁承載力不足的問題是當(dāng)務(wù)之急[1]。

預(yù)應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣,可以和各種鋼結(jié)構(gòu)橋梁相結(jié)合,形成新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式[2]。預(yù)應(yīng)力技術(shù)還可以應(yīng)用于既有橋梁的加固,是提高鋼梁承載能力、改善其受力性能的一種經(jīng)濟(jì)、高效和簡(jiǎn)單易行的方法。目前,預(yù)應(yīng)力技術(shù)在舊橋加固中得到廣泛的應(yīng)用,但更多的是應(yīng)用于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)[3],在鋼橋中的應(yīng)用不多。哈爾濱某水毀簡(jiǎn)支鋼箱梁橋重建加固應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力技術(shù),試驗(yàn)和有限元分析均表明,預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用大大改善了結(jié)構(gòu)的受力性能和承載能力[4-5]。國內(nèi)外對(duì)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在平面鋼桁架和立體鋼桁架中得到廣泛研究[6-7],我國也在預(yù)應(yīng)力鋼桁架輸煤棧橋、預(yù)應(yīng)力加固輸電塔架等方面取得了一些經(jīng)驗(yàn)[8-10],但運(yùn)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)大跨度簡(jiǎn)支鋼桁梁加固的研究還不夠深入[11-12]。

以某128 m跨雙線鐵路鋼桁梁為依托工程,分析不同布索方案、不同預(yù)應(yīng)力大小、不同提載等級(jí)下鋼桁梁的受力和變形情況,并與未布索桁梁做綜合對(duì)比,由此獲得該橋的最優(yōu)布索方案及不同提載等級(jí)下最優(yōu)預(yù)應(yīng)力大小。為了便于施工,同時(shí)考慮到建筑空間的限制,案例中的鐵路簡(jiǎn)支鋼桁梁采用不帶撐桿的整體廓外布索,另外,在該線路上有多跨簡(jiǎn)支鋼桁梁,也可以采用簡(jiǎn)支變連續(xù)的局部預(yù)應(yīng)力加固方式,兩種加固方式均采用在兩榀平面桁架上對(duì)稱布索,布索方案分別如圖1、圖2所示,圖中虛線表示預(yù)應(yīng)力索。

圖2 簡(jiǎn)支變連續(xù)加固方案

2 工程概況及建模

該鐵路鋼桁梁的主桁類型為無豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦下承式雙線鐵路鋼桁梁,計(jì)算跨度為128.0 m,桁高16.0 m,桁寬12.8 m。列車活載采用中-活載(2005) ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2),本文主要分析該桁梁在自重+二期恒載+活載(中-活載不同提載等級(jí))工況下的受力變形情況。由于在常規(guī)荷載下不允許出現(xiàn)塑性變形,因此進(jìn)行彈性分析。

采用ANSYS有限元分析軟件研究鋼桁梁及預(yù)應(yīng)力加固后鋼桁梁的力學(xué)性能,主桁架結(jié)構(gòu)采用BEAM188梁?jiǎn)卧?共分為986個(gè)單元,廓外預(yù)應(yīng)力索采用只受拉不受壓的LINK10單元。劃分軌道線路上的梁?jiǎn)卧獣r(shí)應(yīng)考慮列車軸距,把車輛荷載等效為節(jié)點(diǎn)集中荷載,采用多工況模擬過橋過程。鋼梁主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)除橋門架、橫聯(lián)、上平縱聯(lián)采用Q345qE外,其余均采用Q370qE,預(yù)應(yīng)力索采用1860級(jí)高強(qiáng)度低松弛無粘結(jié)鋼絞線,張拉控制應(yīng)力一般在(40%～60%) fptk,本文取800 MPa。預(yù)應(yīng)力的施加采用初應(yīng)變法加載模擬。通過改變拉索截面面積改變預(yù)應(yīng)力P的大小。

3 加固效果分析

為驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)鋼桁梁提載加固的可行性,為使研究更具有代表性,分析中-活荷載提升等級(jí)分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%時(shí),在不同加固方案、不同大小的預(yù)應(yīng)力作用下,鋼桁梁主要桿件的受力性能和跨中撓度的變化。

3.1 單跨加固

圖1中鐵路鋼桁梁?jiǎn)慰缂庸痰膬煞N方案對(duì)上弦桿、下弦桿、腹桿軸應(yīng)力的影響分別見圖3～圖5,對(duì)該橋最大撓度的影響見圖6。

圖3 單跨加固上弦桿軸應(yīng)力變化

圖4 單跨加固下弦桿軸應(yīng)力變化

圖5 單跨加固腹桿最大軸拉、軸壓應(yīng)力變化

圖6 單跨加固跨中撓度變化

分析圖3～圖6可知:

(1)方案1-1和方案1-2上、下弦桿、腹桿的軸應(yīng)力均隨活荷載等級(jí)提升而增大,兩種方案增長的幅度也幾乎相同,每提載10%,軸應(yīng)力分別增加3、5、2.5 MPa左右,提載60%后各桿件的軸應(yīng)力大小仍滿足軸應(yīng)力限值要求。

(2)由圖3、圖4,方案1-1和方案1-2預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)上弦桿軸壓應(yīng)力不利影響均不大,預(yù)應(yīng)力P= 3 336 kN,約增加1 MPa。預(yù)應(yīng)力大小對(duì)下弦桿軸拉應(yīng)力有利影響較大,預(yù)應(yīng)力P=3 336 kN,約減小18 MPa。每提載10%,施加1 112 kN的預(yù)應(yīng)力,將與原荷載等級(jí)下軸拉應(yīng)力基本相同。

(3)由圖5,方案1-1預(yù)應(yīng)力大小對(duì)腹桿的軸拉、軸壓應(yīng)力幾乎無影響,方案1-2折線形布索預(yù)應(yīng)力大小對(duì)腹桿的軸壓應(yīng)力幾乎無影響,但對(duì)腹桿的軸拉應(yīng)力有明顯的有利作用,預(yù)應(yīng)力P=3 336 kN時(shí),軸拉應(yīng)力約減小20 MPa。

(4)由圖6,方案1-1和方案1-2跨中撓度均隨活荷載等級(jí)的提升而增大,活荷載每提載10%,約增大5 mm;在不同荷載等級(jí)作用下,兩種加固方案跨中撓度均隨預(yù)應(yīng)力增大而減小,預(yù)應(yīng)力P=3 336 kN,跨中撓度約減小10 mm,其中折線形布索略優(yōu)。加固前,當(dāng)活載提載10%時(shí),跨中撓度達(dá)140 mm,為跨度的1/914,接近撓度限值Δ=L/900[13];對(duì)方案1-1和方案1-2,當(dāng)P=3 336 kN時(shí),提載30%時(shí)接近撓度限值,當(dāng)P=6 672 kN時(shí),方案1-1提載50%時(shí)接近撓度限值,方案1-2提載60%時(shí)接近撓度限值。

綜合單跨加固兩種方案可知,所有桿件的桿件應(yīng)力水平較低,具有足夠的安全儲(chǔ)備;桿件軸應(yīng)力、跨中撓度均隨荷載等級(jí)的提升而增大;兩種加固方案對(duì)桁架主要桿件(除腹桿外)的受力影響幾乎相同,其中預(yù)應(yīng)力大小對(duì)上弦桿、腹桿的軸壓應(yīng)力影響很小,但明顯減小下弦桿及方案1-2腹桿的軸拉應(yīng)力,可見方案1-1和方案1-2對(duì)桿件的受力較為有利;兩種加固方案均可以減小桁架梁的最大撓度,但效果不明顯,因此需探究更有效的加固方案。

3.2 簡(jiǎn)支變連續(xù)加固

改變結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)支變連續(xù)預(yù)應(yīng)力加固方案如圖2所示,3種方案加固后上弦桿、下弦桿和腹桿既有拉桿又有壓桿。3種加固方案對(duì)各桿件軸應(yīng)力影響分別如圖7、圖8、圖9所示,對(duì)跨中撓度的影響如圖10所示。

圖7 簡(jiǎn)支變連續(xù)加固上弦桿軸應(yīng)力變化

圖8 簡(jiǎn)支變連續(xù)加固下弦桿軸應(yīng)力變化

分析圖7～圖10如下。

(1)隨著活荷載等級(jí)提升,方案3-1、方案3-2和方案3-3中上弦桿、下弦桿、腹桿無論軸壓應(yīng)力還是軸拉應(yīng)力均增加,每提載10%,分別增加1 MPa、 2.5 MPa、2.5 MPa左右,提載60%后仍滿足軸應(yīng)力要求,可見,各桿件的應(yīng)力水平較低,安全儲(chǔ)備足夠,且簡(jiǎn)支變連續(xù)后各桿件的應(yīng)力明顯優(yōu)于單跨加固后的應(yīng)力。

圖9 簡(jiǎn)支變連續(xù)加固腹桿最大軸拉應(yīng)力、軸壓應(yīng)力變化

圖10 簡(jiǎn)支變連續(xù)加固跨中最大撓度變化

(2)由圖7,方案3-1施加預(yù)應(yīng)力后減小了上弦桿的最大軸壓應(yīng)力,增大了上弦桿的最大軸拉應(yīng)力,當(dāng)P=3 336 kN時(shí),上弦桿最大軸壓應(yīng)力減小1.8 MPa,最大軸拉應(yīng)力約增大2 MPa,方案3-2和方案3-3上弦桿的最大軸壓、軸拉應(yīng)力均隨預(yù)應(yīng)力的增大而減小,當(dāng)P=3 336 kN時(shí),方案3-2最大軸壓應(yīng)力減小5 MPa,最大軸拉應(yīng)力減小11 MPa,方案3-3最大軸壓應(yīng)力減小4 MPa,最大軸拉應(yīng)力減小14 MPa。

(3)由圖8,方案3-1和方案3-2預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)下弦桿的最大軸壓、軸拉應(yīng)力的影響很小,可忽略;方案3-3下弦桿的最大軸拉應(yīng)力、軸壓應(yīng)力均隨預(yù)應(yīng)力的增大而減小,當(dāng)P=3 336 kN時(shí),最大軸拉應(yīng)力減小9 MPa,最大軸壓應(yīng)力約減小12 MPa。

(4)由圖9可知,3種方案預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)腹桿的最大軸壓應(yīng)力、軸拉應(yīng)力的影響很小,可忽略。

(5)由圖10可知,3種方案跨中撓度均隨活荷載等級(jí)的提升而增大,活荷載每提升10%,約增大2 mm;在不同荷載等級(jí)作用下,簡(jiǎn)支變連續(xù)加固方案與單跨加固方案相比,大大減小了跨中撓度,提載60%時(shí)3種加固方案仍滿足撓度限值要求,但預(yù)應(yīng)力對(duì)其影響不大,方案3-3對(duì)撓度的影響較方案3-1和方案3-2有利。

綜合比較簡(jiǎn)支變連續(xù)的3種加固方案,桿件的軸應(yīng)力、跨中最大撓度均隨荷載等級(jí)的提升而增大;方案3-3在受力性能的改善上比方案3-1和方案3-2更為優(yōu)越。

4 結(jié)論

通過對(duì)某鐵路鋼桁梁幾種預(yù)應(yīng)力加固方案的有限元分析可知:(1)無論單跨加固還是簡(jiǎn)支變連續(xù)加固,該鋼桁梁均可提高荷載等級(jí);(2)單跨加固可以有效提高該橋的承載能力,但不能有效提高其豎向剛度; (3)簡(jiǎn)支變連續(xù)加固較單跨加固方案無論受力性能還是變形控制都較為優(yōu)越,對(duì)其承載能力和豎向剛度的提高較為明顯,在具備條件的情況下,是較為理想的加固方案。本文驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力技術(shù)在不中斷交通的情況下對(duì)鐵路鋼桁梁加固的可行性,推薦簡(jiǎn)支變連續(xù)方案3-3為最優(yōu)加固方案,這一初步研究成果對(duì)今后橋梁建設(shè)具有重要參考價(jià)值,既可以用于舊橋的加固改造,也可以用于新橋建設(shè)。

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Research on Prestress Reinforcing Techniques for Railway Steel Truss Bridges in Service

ZHANG Ai-lin,ZHAO Hai-ming,LIU Xue-chun,ZHANG Wen-xue
(College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

With the development of heavy haul and high-speed train operation,it is urgent to improve the bearing capacity of the existing railway without traffic interruption.In order to explore the feasibility of prestressing techniques in reinforcing steel truss bridge,this paper puts forward alternative prestressed reinforcement schemes based on some railway steel truss bridges in service,and compares the reinforcement effects of the schemes by establishing finite element model.Analysis shows that the single span reinforcement scheme can improve the bearing capacity but fails to improve its vertical stiffness effectively,and the continuous reinforcement scheme can improve the both remarkably.Therefore,the continuous reinforcement scheme is an ideal one if the condition permits.

Railway bridge;Prestress;Steel truss bridge;reinforcement;Finite element model

U445.7+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.019

1004-2954(2014)12-0076-05

2013-12-17;

2014-01-14

張愛林(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,1994年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué),工學(xué)博士。