某低高度鋼筋混凝土梁重載改造技術(shù)研究

趙德寬

（中國神華神朔鐵路分公司河東運輸段，山西 忻州 036200）

0 引言

重載鐵路運輸具有運輸量大、運輸效率高、運輸成本低等特點，逐漸成為大宗貨物最為經(jīng)濟有效的運輸方式，其運輸效益已經(jīng)被國內(nèi)外鐵路行業(yè)所證實[1]。國外一些國家重載鐵路軸重普遍達到30 t以上，最大達到40 t[2]。近年來，隨著神華集團各煤炭基地建設步伐的加快和礦區(qū)開采規(guī)模的擴大，迫切需要提高鐵路貨物運輸能力。由于橋梁作為鐵路線路的重要組成部分，列車軸重的增加必然對既有橋梁的性能提出更高的要求。本文以某低高度鋼筋混凝土梁為例，提出了合理的橋梁重載強化改造方案，為類似橋梁加固改造提供參考。

1 橋梁概況

某雙線橋共3孔，上部結(jié)構(gòu)均為跨度10 m低高度鋼筋混凝土梁，圖號為專橋（91）1024，支座采用板式橡膠支座；下部結(jié)構(gòu)采用耳墻式橋臺和圓端形橋墩，樁基礎。橋上線路為直線，2%上坡，上行重車線為無縫線路，Ⅲ型橋枕，75 kg/m鋼軌，無護軌；下行輕車線為有縫線路，Ⅱ型橋枕，60 kg/m鋼軌，無護軌。梁體底面距地面約4.4 m，已做橫向加固，梁端設置橫向限位裝置。橋梁第2孔跨越道路，兩側(cè)設有限高架，限高4 m。橋上兩線間不設護欄，上行線人行道外側(cè)與橋外自閉線路電桿間凈距8 m，外側(cè)設有單側(cè)電纜槽。該橋運營14年，通過運量達20億t，隨著運量的逐年增加，低高度鋼筋混凝土梁陸續(xù)出現(xiàn)了橫向開裂嚴重、豎向剛度不足等諸多病害，雖然整體運營狀態(tài)基本良好，但不能滿足開行大軸重貨物列車的要求，需要進一步采取強化改造技術(shù)，制定保證大軸重貨物列車安全平穩(wěn)運行的條件。橋梁概貌如圖1所示。

圖1 橋梁概貌

2 橋梁強化的原因分析

增大貨車軸重、開行長大編組重載組合列車是提高鐵路運輸能力的最佳途徑，但開行大軸重重載運輸將提高對基礎設施承載能力的要求。

根據(jù)該橋的調(diào)研情況，橋梁結(jié)構(gòu)的整體運營狀態(tài)基本良好，但面對運量逐年增加的局面，該橋陸續(xù)出現(xiàn)了諸多病害，橋梁的劣化速度加快。通過綜合分析原因，主要表現(xiàn)為：

（1）雙片式并置梁橫向連接較弱，整體性能差，梁體橫向自振頻率低，列車通過時梁體橫向振幅偏大，部分超出《鐵路橋梁檢定規(guī)范》安全限值。

（2）鋼筋混凝土梁橫向開裂嚴重，豎向剛度不足，部分梁的底板存在縱向裂縫，重車線的梁劣化速度明顯加快。

（3）支座縱向位移量大；隨著萬噸列車的開行，橋梁支座病害日益凸現(xiàn)，部分支座位移超限。

3 橋梁強化改造技術(shù)比選

針對橋梁體病害出現(xiàn)的原因和低高度鋼筋混凝土梁在荷載作用下的實際工作狀態(tài)，通過系統(tǒng)的試驗研究和綜合比選，提出該橋強化改造技術(shù)方案，對橋梁上行重車線第1、第3孔既有梁更換為能滿足30 t軸重重載貨車運營要求的新型鋼-混凝土結(jié)合梁，第2孔利用預應力碳纖維板進行加固，達到提高該橋安全運營條件和運營性能的要求。

3.1 鋼-混凝土結(jié)合梁的技術(shù)優(yōu)勢

鋼-混凝土結(jié)合梁橋是繼鋼結(jié)構(gòu)橋梁與混凝土橋梁之后興起的，是通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連接起來共同受力、變形協(xié)調(diào)的一種新型梁體結(jié)構(gòu)。它充分發(fā)揮了鋼的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，提高了梁整體的穩(wěn)定性和剛度[3]。它主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）組合梁截面中混凝土處于受壓區(qū)，鋼梁位于受拉區(qū)，混凝土受壓能力強，而鋼的受壓能力強，充分發(fā)揮了這兩種材料的強度[4]。與非組合梁相比，當承載力相同時，組合梁可節(jié)約一定量的鋼材。

（2）由于鋼梁的強度高，和混凝土結(jié)構(gòu)相比，當梁體結(jié)構(gòu)的剛度要求相同時，采用組合梁可有效降低梁體高度，從而減輕梁體自重。

（3）組合梁的翼緣部分較寬，增大了梁體側(cè)向剛度，進而提高了梁體剛度。

（4）抗震性能好，對于重載列車的震動有了更好的承受能力，使梁的使用年限更長。

（5）鋼梁上較易制作托架，供附屬設施的安裝。

3.2 預應力碳纖維板加固的技術(shù)優(yōu)勢

預應力碳纖維板加固屬于主動加固技術(shù)的一種，利用碳纖維板高強、高彈材料特性，通過對碳纖維板預張拉，產(chǎn)生初始預應力以平衡結(jié)構(gòu)的恒載，從而很大程度上延緩了裂縫的開展及減小裂縫寬度，有效提高了結(jié)構(gòu)的剛度，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度。預應力碳纖維加固可顯著提高受彎構(gòu)件的承載能力，有效增大碳纖維材料抗拉強度的利用效率，改善構(gòu)件的正截面應力分布，從而使構(gòu)件具有比傳統(tǒng)加固技術(shù)更優(yōu)越的受力性能。另外，碳纖維板具有材質(zhì)輕、抗腐蝕性能強等優(yōu)點，尤其對于沿海地區(qū)長年遭受鹽堿腐蝕的結(jié)構(gòu)加固工程，其優(yōu)勢尤為突出[5]。這種加固方法的優(yōu)點表現(xiàn)為以下幾點：

（1）預應力碳纖維板抗拉強度很高，一般是等截面鋼材的7～10倍，有效利用碳纖維的高強度，從而節(jié)約了材料。

（2）預應力碳纖維板結(jié)構(gòu)重量輕，僅為200～300 g/m2，厚度為0.11～0.16 mm，可以實現(xiàn)在不給梁體帶來負擔的前提下增大梁體的承載力[6]。

（3）預應力碳纖維板具有良好的耐腐蝕性能和耐久性，可阻抗化學腐蝕、環(huán)境變化的破壞，能夠更好地抵抗雨水的侵蝕。

（4）施工工藝流程簡單、操作方便、省力節(jié)時，施工質(zhì)量易于保證，減少了對線路開通的影響。

（5）可大幅度提高構(gòu)件的抗震性能和承載能力。在列車通過時，減小沖擊對梁體帶來的危害。

4 橋梁強化施工方案

4.1 鋼-混凝土結(jié)合梁換梁實施方案

4.1.1 施工工藝流程

鋼梁定制—現(xiàn)場清理，搭設基礎平臺—電務、通信及自閉線路移動—鋪設橫向滑道—組拼高架臺車—新梁上砟—安裝新梁人行道，安裝新梁支座—拆除舊梁，制作新梁限位設施—安裝新梁—恢復線路開通列車。

4.1.2 換梁施工過程

線路封鎖各點后，拆除橋上第2孔及臺后各20 m線路扣件，用液壓起道設備將第1、第3孔梁上鋼軌及枕木頂起50 cm（以跨中最低點軌枕底部高過梁體擋砟墻15 cm為準），拆除橫向蓋板，上下行間石渣袋全部清除。啟動舊梁臺車，將舊梁移出橋位，舊梁移出橋位到達指定位置后，揭開縱向蓋板，在預設吊點處穿掛鋼絲繩，分片起吊舊梁至事先搭好的枕木垛上，并支頂穩(wěn)固。移出舊梁的同時，墩臺作業(yè)人員迅速進行支撐墊石處理及預埋螺栓孔鉆制工作。待支撐墊石處理及吊車作業(yè)完畢后，啟動舊梁臺車走行移入下行線南側(cè)位置，同時啟動新梁臺車的自走行裝置，有技術(shù)人員控制新梁逐漸移入橋位，確?？臻g位置達到技術(shù)要求后方可落梁，并進行精準定位。落梁后將新支座鋼板錨固，30 min即能達到設計強度，拆除支座連接板，對支座進行防塵罩安裝。最后開始線路的恢復作業(yè)，即回落鋼軌及軌枕，上緊主軌扣件，回填石砟并搗鼓，開通線路。然后進行附屬設施的恢復工作[7]。

4.1.3 施工技術(shù)控制要點

結(jié)合梁設計荷載為1.2倍Z H荷載，速度目標值為90 km/h，牽引定數(shù)為20 000 t。結(jié)合梁采用變截面設計，梁體尺寸如圖2所示。橋面板采用C55高性能混凝土，用H R B400普通鋼筋，采用閃光對焊接頭，剪力釘連接器根據(jù)《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》（GB/T 10433—2002）的要求制作?；冷佋O50 kg/m鋼軌，采用普通木枕，碎石道砟鋪面，橫向滑道木枕按2 000根/km布置，枕底石砟厚度不小于250 mm，鋪設的橫向滑道軌頂標高距舊梁底3.55 m。利用高架臺車吊卸新舊梁，拼裝出舊梁臺車4臺（即2組）；拼裝進新梁臺車4臺（即2組），臺車寬2 m，長5.85 m，舊梁臺車高度3.5 m，新梁臺車高度3.00 m，單個臺車承載能力不少于240 t，新梁臺車上安設4臺100 T起梁千斤頂，縱向安設4臺50 T微調(diào)千斤頂，4臺起梁千斤頂由一個泵站控制，以確保其同步頂升，在施工現(xiàn)場用300 t汽吊進行卸梁作業(yè)，支腿全伸，伸至100%，后方作業(yè)，作業(yè)半徑為8 m，伸臂長度20.5 m，新砟的鋪設以新梁就位后不改變線路既有標高、方向為原則。支座采用增大下座板的方法進行更換，即在原有下座板下增加一層40 mm厚Q345鋼板，新加鋼板在原下座板螺釘孔處，內(nèi)套絲扣用原支座螺栓連接下座板與新加鋼板，新加鋼板采用直徑27 mm喜利得化學錨栓與支撐墊石連接，固定支座型號采用TJ Q Z-8160-1000G D-0.20g，縱向活動支座型號為TJ Q Z-8160-1000Z X-0.20g。本橋每孔采用固定支座和縱向活動支座各2個，固定支座安裝在小里程（朔州）側(cè)，縱向活動支座安裝在大里程（黃驊）側(cè)。安裝時因為支座下新增墊板40 mm厚，新梁比舊梁高度增加30 mm，故將每孔舊梁的4個支撐墊石向下采用繩鋸的方法切割80 mm厚，切割時只切割現(xiàn)有橡膠支座外側(cè)周邊，支座外周留有5 cm寬墊石不切除，橡膠支座下部留在天窗點內(nèi)鑿除。

4.2 預應力碳纖維板加固施工

4.2.1 施工流程

選擇專用纖維材料—材料進場檢驗—施工準備—安裝錨具，錨具選擇采用與材料廠家配套專用錨具—探測梁體鋼筋位置—安裝支承座、轉(zhuǎn)孔，安裝支承座和轉(zhuǎn)孔過程中要準確控制位置—梁底表面處理，使用打磨機將表面風化的混凝土處理干凈，并對嚴重損傷處進行填縫補膠處理—安裝張拉設備，張拉設備與混凝土梁中軸線位置對正，保證張拉過程中梁體不偏心受力—配置結(jié)構(gòu)膠，結(jié)構(gòu)膠使用與纖維材料配套的黏結(jié)材料—張拉，施工過程采用分級張拉—表面防護，碳纖維板加固施工的表面防護分為兩個方面防護：纖維材料防護和錨固裝置防護[8-9]。

圖2 梁體主要尺寸（單位：mm）

4.2.2 碳纖維板加固的施工過程

對梁體進行鋼筋位置探測，在相應位置進行鉆孔和開槽，將攪拌均勻的底涂界面膠用抹刷均勻地涂抹到整片作業(yè)梁底，在界面膠初凝前完成作業(yè)，然后植入化學錨固螺栓并進行拓孔，對錨固區(qū)槽內(nèi)粗糙面進行適當打磨后安裝錨固座，在碳纖維板的兩端分別固定一個錨固裝置，并通過高強螺栓將其固定在梁上。安裝張拉錨固組件，根據(jù)千斤頂?shù)男谐蹋_定欲放入千斤頂?shù)目臻g，穿入反力板，并將螺母旋緊，放入千斤頂，進行試張拉（一般張拉至2 t），待碳板拉直后，根據(jù)碳板在梁底的位置，確定碳板兩側(cè)安裝固定扣壓板的孔位。然后以20 kN為一單位等級進行分級張拉碳纖維板錨具組裝件，直至預應力達到設計值，觀察無異常后，繼續(xù)進行超張拉，完成后對碳纖維板放張，而后開始正式張拉，并在張拉同時鎖緊螺母。張拉完成后安裝扣壓板，依次旋緊碳板兩側(cè)的螺母，直到碳板密貼梁底為止。在梁底錨固區(qū)安裝鋼模板并進行臨時固定，在封錨區(qū)內(nèi)灌注自流平無收縮灌漿料。用灰色聚氨酯防水涂料均勻涂刷錨固罩及整個梁底。在梁長范圍內(nèi)頂板底面外側(cè)安裝鋁合金擋水沿，防止水流腐蝕。

單子其將死乎！朝有著定，會有表，衣有禬，帶有結(jié)。會朝之言，必聞于表著之位，所以昭事序也。視不過結(jié)禬之中，所以道容貌也。言以命之，容貌以明之，失則有闕。今單子為王官伯，而命事于會，視不登帶，言不過步，貌不道容，而言不昭矣。不道不共，不昭不從，無守氣矣。[注]本文引用的《左傳》為中華書局影印清嘉慶刊本《春秋左傳正義》(北京：中華書局，2009年)。為行文流暢，僅在需要說明處出注。

4.2.3 施工技術(shù)控制要點

鉆孔前采用12 mm細鉆頭進行試鉆防止損傷鋼筋，鉆孔深度不小于10 cm。錨固區(qū)鉆孔整體位置精度要求：縱橋向±20 cm，橫橋向±2 cm。鉆孔深度精度要求0～5mm，鉆孔直徑精度要求±1mm。對梁底開槽時，深度不得超過混凝土保護層厚度。錨固區(qū)開槽整體位置精度要求：縱橋向±20 cm，橫橋向±2 cm。錨固區(qū)開槽范圍精度要求：縱橋向±2 cm，橫橋向±1 cm。植入化學錨栓應與梁體表面保持垂直，植入垂直精度要求±1°，深度精度要求±2mm。對錨固座鉆孔的最小凈邊距不應小于20mm。植入錨栓中心拓孔定位精度要求±0.5 mm，錨固座上鉆孔位置精度要求±0.5 mm，任意兩個錨固座的幾何中軸線在橫橋向的偏差不應超過±3 mm，相鄰錨固座縱向間距偏差不應超過±20 mm。張拉時，在碳纖維板頂面均勻涂抹膠黏劑，涂膠平均厚度3 mm。碳纖維板應分級張拉，左右兩根張拉螺桿除伸長量差值應始終控制在2 mm以內(nèi)，以保證碳纖維板受力均勻。安裝扣壓板按照“先兩端、后中間”的原則，在扣壓板頂面墊入薄橡膠板，使碳纖維板貼緊梁底。在梁底混凝土表面及封錨混凝土表面涂刷淺灰色聚氨酯防水涂料，涂層厚度不小于1.0 mm。

5 加固效果驗證

在30 t軸重試驗列車作用下，鋼-混凝土結(jié)合梁跨中撓度最大值為1.46 mm（58.1 km/h），撓度動力系數(shù)最大值為1.13，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為0.46，換算至1.2倍Z H（2010）[10]設計荷載下?lián)峡绫葹?/5 640，滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的要求（參考鋼筋混凝土梁豎向撓跨比通常值1/4 000）；在試驗列車作用下，工字鋼主梁跨中下翼緣應變最大值為167.2 με（58.1 km/h），結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)為 0.79。在各類編組列車作用下，鋼梁跨中內(nèi)外側(cè)應變、撓度基本相當，鋼梁整體受力效果好。在試驗列車作用下，梁體跨中橫向振幅最大值為0.28 mm；運營貨列重車作用下，梁體跨中橫向振幅最大值為0.36mm。實測鋼-混凝土結(jié)合梁跨中橫向振幅均在《鐵路橋梁檢定規(guī)范》貨列重車通常值（參考預應力混凝土梁）0.79 mm（v≤80 km/h）及安全限值 1.11 mm的范圍內(nèi)。鋼-混凝土結(jié)合梁的理論計算和實測結(jié)果表明，30 t軸重試驗車作用下，鋼-混凝土結(jié)合梁受力正常，處于彈性工作狀態(tài)，達到設計要求，能夠滿足30 t軸重重載列車開行要求。

6 結(jié)語

某低高度鋼筋混凝土梁橋成功實施橋梁強化改造施工，鋼-混凝土結(jié)合梁通過采用混凝土部分主要受壓、鋼梁受拉的方法，充分發(fā)揮了材料的特性，節(jié)約鋼材的同時承載能力也大大提高。預應力碳纖維板加固有效利用了碳纖維的高強度，能夠抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，提高了混凝土的收縮徐變性能。通過這次橋梁強化工程，解決了原橋梁受力狀態(tài)與耐久性差的問題，使其能夠滿足線上開行30 t重載貨車的使用要求，提高了運輸效率。

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