重載鐵路橋梁抗剪加固措施

劉俊鵬 司金艷 趙佳成 唐慶宸 朱力 任效佐

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350；2.北京市市政工程研究院，北京 100037；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044

預(yù)計到2025年底，全國鐵路總里程達16.5萬km。其中，重載鐵路起著非常重要的作用，尤其在貨運方面，朔黃鐵路承擔了較大的任務(wù)。為滿足日益增長的運量要求進行了擴能改造，使得運行密度和軸重有所提高。鐵路橋梁作為交通基礎(chǔ)建設(shè)和發(fā)展的重要部分，在長期高負載的工作下會加速疲勞退化，給橋梁與列車安全帶來了潛在的威脅，須要對梁端抗剪薄弱位置進行疲勞加固。

粘貼鋼板法是將用于加固的鋼板通過特殊的黏結(jié)劑黏合在被加固的梁體表層，鋼板和橋梁共同受力，從而改善截面應(yīng)力狀態(tài)，提高橋梁的抗剪承載力、保證耐久性等。文獻［1］結(jié)合實例，介紹了粘貼鋼板法的設(shè)計及施工工藝。文獻［2-3］采用粘貼鋼板法加固鋼筋混凝土梁，并通過加固后的復(fù)合梁彎曲靜載和等幅疲勞試驗探究了影響加固后梁疲勞性能的因素，包括錨固方式、鋼板厚度等。文獻［4］對4根采用粘貼鋼板法補強的混凝土梁進行了等幅疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)不合理的補強方式會導(dǎo)致梁端彎剪耦合區(qū)沿45°主拉應(yīng)力方向發(fā)生疲勞破壞。

隨著鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上形成了鋼板-混凝土組合加固方法。該方法綜合了粘貼鋼板和擴大混凝土加固技術(shù)，在混凝土結(jié)構(gòu)上進行表面加工，再后澆混凝土，待其和抗剪連接件、鋼板黏結(jié)后成為整體結(jié)構(gòu)，共同受力。文獻［5］對8根混凝土梁采用鋼板-混凝土組合加固，發(fā)現(xiàn)加固后梁的延性有所提高，在某種程度上減小了疲勞損傷，延長了疲勞壽命。文獻［6］發(fā)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)加固法對鋼筋混凝土T梁的抗彎、抗剪性能提高有一定的影響，并提出了用于工程計算的組合加固梁抗剪承載力實用公式。

關(guān)于橋梁的加固措施研究比較多，關(guān)于抗剪加固，特別是加固后箍筋力學性能的計算公式鮮有涉及。重載鐵路橋梁疲勞作用下梁端抗剪性能退化（圖1），本文采用粘貼鋼板法和鋼板-混凝土組合加固法對橋梁進行抗剪加固，得到兩種加固梁的梁端抗剪箍筋應(yīng)力計算公式，并以抗剪承載力作為衡量指標評價了兩種方法對橋梁抗剪承載力的優(yōu)劣程度，為應(yīng)對朔黃鐵路梁端劣化現(xiàn)象提供了解決方案。

圖1 梁端斜裂縫

1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋概況

朔黃重載鐵路32 m 跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁典型截面見圖2。在梁體內(nèi)部布置箍筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋來提供梁的抗剪承載力，具體布置情況為：梁體內(nèi)共布置13束預(yù)應(yīng)力鋼筋（圖3），預(yù)應(yīng)力鋼筋采用鋼絞線，鋼絞線規(guī)格為 5‐7φ5；箍筋選擇φ10 mm 的 HRB335 帶肋鋼筋，距梁端L/16（L為計算跨徑）的梁段范圍內(nèi)布置四肢箍，箍筋間距為80 mm，其余部分為雙肢箍，在距梁端L/16—L/8 間距為100 mm，其余對抗剪要求小的部分間距為200 mm。

圖2 32 m跨度簡支梁典型截面（單位：mm）

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼筋布置（單位：cm）

2 未加固橋梁剪力荷載和承載力計算

選取距梁端L/4、L/8 和L/16 處作為控制截面。計算橋梁的最大剪力荷載效應(yīng)時考慮恒載（梁體自重）、活載（列車運營荷載）的影響。恒載取8.3 t/m。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，朔黃鐵路運營列車主要為C64、C70、C80 三種，未來將逐漸開行軸重為 30 t 的 KM98 列車。將列車荷載圖式進行簡化，見圖4。其中運營列車的參數(shù)見表1。

表1 運營列車計算參數(shù)

圖4 朔黃線運營列車荷載計算圖示（兩輛車）

考慮列車動荷載作用須計算橋梁動力系數(shù)。按照鐵運函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［7］可以得到預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋動力系數(shù)為1.194。

通過影響線可以求得在線路運營期間橋梁各控制截面承受剪力的最不利情況。本文選擇軸重30 t的KM98列車。以距梁端L/16的截面為例計算最大剪力，其剪力影響線及荷載的最不利布置形式見圖5。同理，計算得到L/4、L/8和L/16處最大剪力分別為2 070、2 800、3 450 kN。

圖5 L/16截面影響線及最不利荷載位置（尺寸單位：m）

根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》［8］計算得到未加固梁體的抗剪承載力，L/4、L/8和L/16處抗剪承載力分別為3 460、6 300、8 740 kN。

3 加固方案及抗剪能力評估

3.1 粘貼鋼板加固方案

采用粘貼鋼板對梁端進行強化加固（圖6），具體措施如下：加固箍板采用寬為10 cm 厚度為5 mm 的Q235鋼材，粘貼間距25 cm，將箍板粘貼在從梁端支座至L/4 截面之間。采用壓條對箍板進行錨固，確保箍板與原梁體間連接可靠，并在箍板中部加1個壓條，使二者共同工作。

圖6 粘貼鋼板抗剪加固方案

采用粘貼鋼板法進行抗剪加固時，梁體斜截面承載力V計算公式為

客戶端將偽密鑰FA進行HASH_MD5運算，得到密鑰RA,該密鑰為真密鑰，即用來真正作為加解密工作的密鑰。服務(wù)器端也對偽密鑰FB進行HASH_MD5運算，得到密鑰RB?？蛻舳擞肦A對傳輸?shù)拿魑臄?shù)據(jù)進行加密，將密文傳到服務(wù)器后，服務(wù)器收到密文后，用RB來解密獲得明文，反之亦然。

式中：Vb0為原構(gòu)件的斜截面承載力，MN；Vb，sp為加固后構(gòu)件斜截面承載力的提高量，MN；ψvb為抗剪強度的折減系數(shù)；fsp為箍板的抗拉強度設(shè)計值，取190 MPa；Ab，sp為箍板的截面面積，m2；hsp為箍板與混凝土的黏結(jié)高度，m。

通過計算得到采用粘貼鋼板法進行加固后梁體L/4、L/8、L/16 處抗剪承載力分別為 4 260、7 100、9 540 kN。與加固前相比，L/4、L/8、L/16 處抗剪承載力分別提高了23%、13%和9%，梁體的安全儲備有所增加。

3.2 鋼板-混凝土組合加固方案

鋼板-混凝土組合加固法是充分依靠鋼材的抗拉性能來提高梁體承載力。根據(jù)加固位置可以分為抗剪加固和抗彎加固。采用鋼板-混凝土組合加固法對距梁端L/4 范圍進行抗剪加固，具體措施如下：對結(jié)構(gòu)表面進行鑿毛處理，在腹板上打孔、植筋，在厚4 mm的 Q235 鋼板上以 100 mm 的間距焊接φ10 × 55 栓釘；在鋼板與原結(jié)構(gòu)之間通過鋼筋網(wǎng)片與新澆混凝土進行連接，充分保證原結(jié)構(gòu)與加固部分結(jié)合，減小結(jié)合面的開裂和滑移；新澆混凝土強度等級采用C50。鋼板-混凝土組合抗剪加固方案見圖7。

圖7 鋼板-混凝土組合抗剪加固方案

根據(jù)文獻［9］的研究成果推導(dǎo)出組合加固預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁橋的抗剪承載力計算公式，即

式中：α1為彎矩影響系數(shù)，當計算靠近梁端部分時取1.0；α3為受壓影響系數(shù)，對于本文 T 梁取 1.1r/(r+ 1)，r為 剪 力 連 接 程 度 ；p= 100ρ，ρ=(As1+As2)/(A0+ An)，其中，As1為原混凝土梁體內(nèi)縱筋截面面積，As2為底部加固鋼板橫截面面積，A0為原混凝土梁橫截面有效面積，An為新澆混凝土及側(cè)面鋼板換算為混凝土后的總面積；fcu，k為混凝土立方體試塊抗壓強度標準值；ρsv為箍筋配筋率；ψcs為修正系數(shù)，與裂縫相關(guān)，此處取1；Vb為預(yù)應(yīng)力筋彎起所提供的抗剪承載力。

根據(jù)式（3）計算得到采用鋼板-混凝土組合加固法進行加固后梁體的L/4、L/8、L/16 處抗剪承載力分別為5 890、7 470、10 600 kN。與加固前相比，L/4、L/8、L/16處抗剪承載力分別提高了70%、21%和18%。

對比兩種加固方案可知，采用鋼板-混凝土組合加固法后抗剪承載力整體上提升幅度大于粘貼鋼板法。此外，與鋼板-混凝土組合加固法相比，粘貼鋼板法不會破壞原結(jié)構(gòu)，不需要對橋梁表面進行鑿毛處理、也不用新澆混凝土，施工工期周期短。因此，粘貼鋼板法施工更加方便快捷。

4 加固梁箍筋應(yīng)力計算方法

4.1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁箍筋應(yīng)力計算公式

根據(jù)文獻［10］的研究成果得到普通鋼筋混凝土梁橋體內(nèi)抗剪箍筋應(yīng)力計算公式，進而推導(dǎo)出預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋抗剪箍筋應(yīng)力計算公式。

圖8 配有預(yù)應(yīng)力筋梁端應(yīng)力分析

對截面1、截面2點之間的梁段進行應(yīng)力分析。該梁段斜向拉力P的計算公式為

式中：c1、c2分別為截面 1 和截面 2 的內(nèi)力偶臂；b為腹板寬度；σt1為截面1主拉應(yīng)力；σt2為截面2主拉應(yīng)力。

本文假設(shè)梁段的斜拉力全部由箍筋和彎起的預(yù)應(yīng)力筋承擔，偏安全不考慮其他次要影響，則箍筋應(yīng)力σsv的計算公式為

式中：n1、n2為彈性模量之比，分別表示箍筋、預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的彈性模量的比值；Asv為箍筋截面積；Asb為預(yù)應(yīng)力筋截面積。

4.2 加固后預(yù)應(yīng)力混凝土梁箍筋應(yīng)力計算公式

在式（5）的基礎(chǔ)上考慮加固部分對箍筋的影響后，推導(dǎo)加固后預(yù)應(yīng)力混凝土梁箍筋應(yīng)力計算公式。兩種加固方案梁體抗剪受力分析見圖9。

圖9 混凝土梁體抗剪受力分析

粘貼鋼板加固方案中假定梁體粘貼鋼板加固后，箍板和箍筋、預(yù)應(yīng)力筋共同承擔剪力。箍板和箍筋具有相似的抗剪機理，可采用同樣的方式分析。根據(jù)普通混凝土梁箍筋應(yīng)力分析，可以推導(dǎo)得到加固后預(yù)應(yīng)力混凝土梁內(nèi)箍筋的應(yīng)力計算公式，即

式中：Sv為箍筋間距；Ssp為箍板間距。

鋼板-混凝土組合加固方案中新澆混凝土相當于增加了梁體的截面積，應(yīng)力分析時采用增大后的截面尺寸?；诎踩紤]，假定抗剪承載力全部由箍筋、預(yù)應(yīng)力筋和鋼板提供，可以得到組合加固后箍筋應(yīng)力計算公式，即

式中：P0為組合加固后截面的斜向拉力為z范圍內(nèi)鋼板總面積。

與式（5）相比，式（6）分母中多了一項Ab，sp， 即箍板的面積；式（7）分母中多了一項即鋼板的面積。由此可知，加固后箍板或鋼板分擔了箍筋承擔的剪力，從而有效降低了荷載作用下的箍筋應(yīng)力。

5 結(jié)論

1）兩種抗剪加固方案均能使梁段承載力有比較大的提高，相應(yīng)地增加了梁體的安全儲備。

2）采用粘貼鋼板法加固后L/4、L/8、L/16 各控制截面抗剪性能整體上低于鋼板-混凝土組合加固法，但粘貼鋼板法的施工更加方便快捷。

3）本文提出了兩種方法加固后的箍筋應(yīng)力計算公式，發(fā)現(xiàn)用于加固的箍板或鋼板與箍筋共同參與抗剪，兩種加固方法中箍筋的應(yīng)力均能夠顯著減小。