體外預(yù)應(yīng)力加固重載鐵路蓋板涵試驗研究

崔建龍，王起才，李 盛，王 元，陳 松

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘭州 730070)

體外預(yù)應(yīng)力加固重載鐵路蓋板涵試驗研究

崔建龍，王起才，李 盛，王 元，陳 松

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘭州 730070)

目前大秦鐵路運(yùn)輸荷載日趨增加，橋梁的既有損傷不斷加重，橋梁不斷老化，破損。通過既有蓋板涵承載力評估可知，蓋板涵混凝土壓應(yīng)力已經(jīng)超出規(guī)范要求。為了改善蓋板的受力性能，提高蓋板的承載能力，對蓋板進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力加固。根據(jù)已加固蓋板的室內(nèi)靜載試驗和200萬次疲勞試驗，結(jié)合數(shù)據(jù)研究體外預(yù)應(yīng)力的加固效果。結(jié)果表明，體外預(yù)應(yīng)力加固可以大幅度提高蓋板的承載能力，在正常使用狀態(tài)混凝土壓應(yīng)力最大降低約32%。最后，根據(jù)力學(xué)理論推導(dǎo)體外筋應(yīng)力增量計算公式，借助試驗結(jié)果驗證理論計算的準(zhǔn)確性，為體外預(yù)應(yīng)力加固的實際施工提供理論指導(dǎo)。

重載鐵路；蓋板涵；體外預(yù)應(yīng)力加固；靜載試驗；疲勞試驗

既有鐵路實施重載運(yùn)輸可顯著提高機(jī)車車輛運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低單位牽引能耗，減少機(jī)車車輛維護(hù)費用和設(shè)備占用時間，是世界鐵路大宗貨物運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展方向。國內(nèi)外鐵路重載運(yùn)輸經(jīng)驗表明，通過對線橋設(shè)備進(jìn)行合理的強(qiáng)化改造，實現(xiàn)在既有鐵路開行大軸重貨物列車，是提高運(yùn)輸能力與效率的最佳途徑，并已得到廣泛運(yùn)用[1-4]。大秦等重載鐵路開行了軸重250 kN的長編組列車，年運(yùn)量及列車密度已居世界領(lǐng)先水平，但運(yùn)量與運(yùn)能之間的矛盾仍未得到有效解決。年運(yùn)輸量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，線路上蓋板涵結(jié)構(gòu)受力明顯增大，蓋板涵上出現(xiàn)裂縫增多，掉塊范圍大，保護(hù)層厚度不足，氯離子侵入使鋼筋銹蝕、邊墻漿砌片勾縫脫落、砂漿變酥等病害。蓋板涵的破損，對重載列車安全運(yùn)營構(gòu)成了潛在的危險，故通過室內(nèi)試驗蓋板涵加固前后數(shù)據(jù)對比研究，確定對大秦鐵路采用合理的體外預(yù)應(yīng)力加固措施[4-6]，保證大秦鐵路的安全運(yùn)營已經(jīng)凸顯重要。

1 體外預(yù)應(yīng)力筋加固設(shè)計

1.1 研究背景概述

基于對大秦鐵路蓋板涵加固課題的探討，利用相似原理自制一片比例1∶1的蓋板涵進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，混凝土和普通鋼筋均按現(xiàn)場材料選取。蓋板涵長4.5 m，寬1 m，端部高0.37 m，跨中高0.46 m。混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度平均值為20 MPa，彈性模量約為2.8×104MPa，梁體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力縱向受拉鋼筋為18根φ16 mm，受壓鋼筋為6根φ8 mm。

采用體外預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行加固，在距梁5 cm處設(shè)置3根φ25 mm的精軋螺紋鋼，距離梁端45 cm處設(shè)置錨固裝置(主要由植筋，角鋼，加勁肋組成)，如圖1、圖2所示。

圖1 體外預(yù)應(yīng)力加固試驗蓋板涵(單位：mm)

1.2 錨固裝置的植筋抗剪抗拔驗算

已知植筋直徑為16 mm，12根，抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值分別為140、170 MPa。鋼筋偏心距為4 cm。如圖2所示。

圖2 蓋板錨固區(qū)加固示意

對受拉、邊緣受剪、拉剪組合之結(jié)構(gòu)構(gòu)件的錨固連接，應(yīng)控制為錨栓或植筋鋼材破壞，不應(yīng)控制為混凝土基材破壞；對于滿足錨固深度要求的化學(xué)植筋及長螺桿，不應(yīng)產(chǎn)生混凝土基材破壞及拔出破壞(包括沿膠筋界面破壞和膠混凝土界面破壞)。

根據(jù)規(guī)范[7]植筋錨固深度設(shè)計值

通過查閱規(guī)范，并與實際蓋板涵參數(shù)對比，試驗蓋板涵滿足抗剪抗拔的最小錨固長度為

ld≥φN×φae×ls=1.21×1.1×219=291.5 mm

取錨固深度：ld=300 mm。

通過錨固區(qū)抗剪抗拔驗算可知，最大可施加10%體外預(yù)應(yīng)力，選擇施加6%的體外預(yù)應(yīng)力對蓋板做加固研究。

2 室內(nèi)蓋板涵靜載試驗

2.1 試驗材料儀器和測點的選定

試驗儀器：用DJCK-2裂縫測寬儀讀取裂縫寬度，采用百分表(量程3 cm)進(jìn)行量測撓度，采用3816靜態(tài)應(yīng)變測試儀量測應(yīng)變(采用生產(chǎn)標(biāo)距為80 mm的膠基電阻應(yīng)變片量測混凝土，采用標(biāo)距為5 mm的膠基電阻應(yīng)變片量測鋼筋應(yīng)變)。

測點布置：裂縫觀測時均以跨中附近受拉鋼筋形心線處構(gòu)件側(cè)面的裂縫寬度為準(zhǔn)，靜載過程中，在每級荷載下觀察裂縫寬度以及開裂情況；測量撓度時分別在兩支座處設(shè)置兩個百分表，L/4、跨中、3L/4分別設(shè)置一個百分表；對于混凝土應(yīng)變，在試驗蓋板的跨中截面布置20個電阻應(yīng)變片，其中底面5個，頂面5個，兩側(cè)面各5個；在相應(yīng)的加載位置布置9個電阻應(yīng)變片，其中底面3個，兩側(cè)面各3個；L/4處布置12個電阻應(yīng)變片，其中底面3個，頂面3個，兩側(cè)面各3個；鋼筋應(yīng)變片分別布置在跨中截面處的受拉鋼筋和受壓鋼筋上，體外無粘結(jié)鋼筋每根布置2個應(yīng)變片。

2.2 試驗方案

(1)試驗前對千斤頂和拉壓傳感器進(jìn)行校正。

(2)先做2～3次預(yù)加載靜載試驗，荷載控制值取為25 kN(即疲勞下限值)，用來考查儀表是否正常，荷載是否偏心和減小測試誤差[8]。

(3)用放大鏡及裂縫測寬儀測試初始裂縫寬度，用百分表測試初始撓度，3816靜態(tài)應(yīng)變測試儀測試初始應(yīng)變。

(4)參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算蓋板開裂荷載值Pcr1，根據(jù)計算值確定分級加載，每級加載50 kN，時間間隔取10 min，一直加載至梁體產(chǎn)生0.2 mm裂縫時，停止加載，每級加載后測試裂縫寬度、撓度、應(yīng)變；然后分級卸載，測試儀器和測點布置如圖3所示。

圖3 測試儀器和測點布置

3 室內(nèi)蓋板涵靜載試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 蓋板涵加固前的試驗數(shù)據(jù)(表1)

表1 未加固實測數(shù)據(jù)

3.2 蓋板涵加固后的試驗數(shù)據(jù)(表2)

3.3 加固效果評定

(1)加固后截面應(yīng)變分布結(jié)果對比分析見圖4。

從表2及圖4中可以看出：梁體在加固后的運(yùn)營階段，其截面應(yīng)變基本符合平截面假定，這與加固前的平截面假定的結(jié)論一致，而截面應(yīng)變與體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變增量不符合平截面假定。此時受壓區(qū)高度約為0.24(h+t)=120 mm，h為蓋板涵高度，t為體外預(yù)應(yīng)力筋到梁底的高度。

表2 預(yù)應(yīng)力加固后的實測數(shù)據(jù)

圖4 蓋板涵加固后截面應(yīng)變分布關(guān)系

(2)通過應(yīng)變轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)力，混凝土、鋼筋應(yīng)變和撓度與施加荷載等級之間的關(guān)系分析，其結(jié)果見圖5。

圖5 蓋板涵加固后撓度和應(yīng)力與施加荷載關(guān)系

從表1看出，當(dāng)達(dá)到裂縫寬度最大容許值時，普通鋼筋拉應(yīng)力127.4 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，尚有很大的安全儲備，而混凝土的壓應(yīng)力已經(jīng)超過混凝土彎曲受壓的容許應(yīng)力值11.2 MPa，跨中最大撓度5.65 mm已經(jīng)超過規(guī)范容許值L/800。

從表1，表2及圖5結(jié)果分析，采用體外預(yù)應(yīng)力加固后，蓋板涵的承載能力加強(qiáng)，體現(xiàn)在普通鋼筋的應(yīng)力、上表面混凝土壓應(yīng)力和跨中撓度的減小及荷載等級增加上。

相比于加固前混凝土達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時，本文施加一定體外預(yù)應(yīng)力加固后，混凝土抗壓強(qiáng)度最大降低了32.8%，普通鋼筋拉應(yīng)力降低了15%，跨中撓度最大降低14%。加固效果理想。

4 室內(nèi)蓋板涵疲勞試驗

4.1 試驗方案

(1)疲勞試驗前對構(gòu)件施加不大于上限荷載20%的預(yù)加靜載1～2次，消除松動及接觸不良，壓牢構(gòu)件并使儀表運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

(2)疲勞開始前，做靜載試驗，加載方法與前面靜載試驗相同，安裝百分表測試初始撓度，3816靜態(tài)應(yīng)變測試儀測試初始應(yīng)變。

(3)做疲勞試驗，考慮實際情況，采用跨中彎矩等效荷載計算法，考慮沖擊力影響，軸重為280 kN，取Fmax=320 kN，F(xiàn)min=37.12 kN；加載1萬次，10萬次，50萬次，100萬次，150萬次，200萬次時停機(jī)做靜載試驗，試驗步驟如蓋板涵靜載試驗[9-11]。

圖6 蓋板涵加固后疲勞10萬次～200萬次截面應(yīng)變隨施加荷載分布關(guān)系

4.2室內(nèi)蓋板涵疲勞荷載后靜載試驗數(shù)據(jù)(表3～表5)

表3 預(yù)應(yīng)力加固疲勞試驗后跨中撓度的實測數(shù)據(jù)

4.3 蓋板涵疲勞荷載下加固效果評定

(1)加固后截面應(yīng)變分布結(jié)果對比分析如圖6所示。

表4 預(yù)應(yīng)力加固疲勞試驗的混凝土受壓區(qū)應(yīng)變實測數(shù)據(jù)

表5 預(yù)應(yīng)力加固疲勞試驗體內(nèi)受拉鋼筋最大應(yīng)變實測數(shù)據(jù)

從表3～表5及圖6中可以看出：梁體在加固后疲勞荷載下的運(yùn)營階段，其截面應(yīng)變?nèi)匀环掀浇孛婕俣ǎ@與加固前的平截面假定的結(jié)論一致，10萬次時受壓區(qū)高度也約為0.24(h+t)=120 mm，且隨著疲勞次數(shù)的增加，截面受壓區(qū)高度不斷上升，上升幅度很小。而截面應(yīng)變與體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變增量不符合平截面假定。

(2)體外應(yīng)力增量及撓度與施加荷載等級之間的關(guān)系分析。其結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 蓋板涵加固后跨中撓度與施加荷載關(guān)系

圖8 蓋板涵加固后體外筋應(yīng)力增量與施加荷載關(guān)系

從表3～表5及圖7、圖8結(jié)果分析，采用體外預(yù)應(yīng)力加固在疲勞作用10萬次～200萬次，蓋板涵的承載能力依然是加強(qiáng)的，體現(xiàn)在普通鋼筋的拉應(yīng)力、上表面混凝土壓應(yīng)力和跨中撓度的減小。相比于加固前混凝土達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時，采用相同體外預(yù)應(yīng)力加固后，疲勞10萬次～200萬次后，混凝土抗壓強(qiáng)度最大降低了9.3%～15.7%，普通鋼筋拉應(yīng)降低了5%～14.8%，跨中撓度最大降低3%～7.5%。200萬次時的疲勞試驗混凝土壓應(yīng)力及跨中撓度數(shù)據(jù)比靜載試驗加固效果最大降低了10%，普通鋼筋變化幅度很小，這很大程度上是由材料疲勞累積損傷的規(guī)律所決定的。

4.4 理論分析

對蓋板涵模型通過理論分析，建立體外預(yù)應(yīng)力與加載外荷載之間的彎矩平衡方程

式中P0——有效預(yù)應(yīng)力；

ΔP——體外預(yù)應(yīng)力增量(由撓度公式計算)；

h+t-c——體外筋到形心的距離；

L——蓋板涵計算跨徑。

通過在基于撓度的應(yīng)力增量公式[12-13]上利用材料力學(xué)撓度公式及曲率關(guān)系進(jìn)一步推導(dǎo)得到三分點應(yīng)力增量公式

由公式(3)得出在靜載試驗及疲勞10萬次時理論計算與實測數(shù)據(jù)相差小于5%，說明理論計算的可靠性好；但隨著疲勞損傷加劇，理論計算就逐漸偏小于實測數(shù)據(jù)，說明理論計算在考慮疲勞荷載造成梁損傷情況下不適用。

由公式(2)可知，施加最大6%的體外預(yù)應(yīng)力已經(jīng)完全滿足加固要求，當(dāng)無活載作用，梁體恒載跟體外預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的作用相互抵消，使梁體產(chǎn)生微小的上拱，不會影響梁體的正常使用。

5 結(jié)論

(1)通過試驗驗證，在蓋板涵采用體外預(yù)應(yīng)力加固靜載和疲勞試驗下，梁截面應(yīng)變平截面假定仍然是成立的、可行的，受壓區(qū)高度約為0.24(h+t)，在疲勞荷載下，隨著疲勞次數(shù)的增加，截面受壓區(qū)高度不斷上升，上升幅度很小，但體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)變與梁截面應(yīng)變不符合平截面假定。

(2)通過試驗數(shù)據(jù)分析，采用體外預(yù)應(yīng)力加固可以提高舊橋承載能力，且效果顯著；可以根據(jù)公式(2)、(3)所要分擔(dān)外荷載大小，進(jìn)行體外預(yù)應(yīng)力的施加，且此方法操作簡單，便于隨時調(diào)整。

(3)在200萬次下蓋板未發(fā)生疲勞破壞，混凝土壓應(yīng)力降低15.7%，撓度減小8%，達(dá)到了預(yù)期的加固效果，本試驗采用的錨固裝置完全滿足加固要求，有一定應(yīng)用價值。

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Test and Study on the Reinforcement of Heavy Haul Raiway Slab Culvert with External Prestressing

Cui Jianlong， Wang Qicai， Li Sheng，Wang Yuan，Chen Song

(School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

With the increase of current railway traffic load， the existing defects of bridges are geeing worse， and bridges are subject to constant ageing and damage. The evaluation of the bearing capacity of the existing slab culvert indicates that the compressive stress of the concrete is beyond the standard requirement. In order to improve the mechanical performances of the cover plate and its bearing capacity， reinforcement with external prestressing is applied to the cover plate. According to the indoor static tests of the reinforced plate and fatigue test of 2000000 times， this paper addresses the effect of external prestressing reinforcement with test data. The results show that external prestressed reinforcement can greatly improve the bearing capacity of cover plate， and the concrete compressive stress is reduced about 32% under normal service condition. Finally， according to mechanical theory， this paper deduces the formula for calculating stress increment of external tendons， verifies the accuracy of theoretical calculation based on test results， and provides theoretical guidance for the construction of external prestressing reinforcement．

Heavy haul railway; Slab culvert ; External prestressed reinforcement; Static load experiment; Fatigue test

2013-12-26

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助(IRT1139)；鐵道部科技

崔建龍(1989—)，男，碩士研究生。

1004-2954(2014)10-0066-05

TU378.2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.016

研究開發(fā)計劃項目(2012G011-A)