基于Midas civil的重載鐵路簡支T梁體外預應力加固研究①

□□ 唐宇哲 (湖南高速鐵路職業技術學院,湖南 衡陽 421200)

引言

如今,我國在運營的混凝土鐵路橋梁已經達到13萬座之多,在偏遠山區及地形不利等地區發揮著舉足輕重的作用[1]。然而,早期鐵路橋梁建設時,受當時經濟的影響,加上鐵路橋梁檢定標準和設計規范經歷了多次修訂,導致部分橋梁建設標準不一[2]。通過長達幾十年的運營,部分鐵路橋梁在耐久性能和承載能力上出現了各種各樣的問題,迫使列車通過橋梁時需限速或者限重,這一現象對鐵路運營產生了不小的影響。在如今鐵路“提速、重載”的大環境下,這些“問題”橋梁顯然是背道而馳的,隨著今后列車的進一步提速和軸重進一步增加,部分問題橋梁將無法在鐵路運營中發揮其應有的作用。

基于此,為了適應鐵路大環境需要,必須讓每座橋梁發揮其應有的作用。若每座橋梁都推倒重建,勢必會對當地經濟造成不利影響,并且會影響交通運行,同時給國家帶來不必要的經濟損失。所以,從經濟和環保角度考慮,必須對既有鐵路橋梁性能狀態進行評估,進而決定是否進行推倒重建,或者是在既有鐵路橋梁基礎上進行加固處理,延長其橋梁使用壽命,合理地解決該問題[3]。

1 工程概況

衡陽市某梁式橋于1986年7月開工,同年12月運營,橋梁全長為48 m,為三跨簡支普通鋼筋混凝土T梁,跨徑組合為3×16 m。其主梁圖號為叁標橋1023-32,橋梁橫截面尺寸如圖1所示。

圖1 衡陽市某梁式橋截面尺寸圖(單位:mm)

通過查閱該橋梁建成資料,設計梁體采用300號混凝土,選用標準為TJ 10—74《鋼筋混凝土結構設計規范》,后續為GBJ 10—89《混凝土結構設計規范》,取消了混凝土標號強度命名,改用混凝土強度等級來定義混凝土強度并沿用至今,在該規范中對原規范混凝土標號與現規范混凝土強度等級的換算進行了說明[4]。按照如今的混凝土強度等級定義,300號混凝土強度理論值在C25～C30之間。

通過回彈法對該橋進行梁體強度測試,并選擇適當區域進行碳化深度測量,查閱JGJ 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》求得該橋梁現役混凝土強度為C25,梁體在長期運營后,混凝土強度降低,低于混凝土初期設計強度值。

2 建立有限元模型

2.1 梁體建模

因該橋梁為簡支梁,故采用Midas civil對該橋梁中的一跨16 m進行有限元建模,全橋共建立33個節點,32個單元,橋梁有限元模型如圖2所示,材料主要性能參數見表1。

表1 材料特性值匯總表

圖2 有限元模型

2.2 重載列車荷載狀況

列車活載圖示是如今鐵路施工設計的參考標準,也是鐵路橋梁設計過程中的核心數據。從1975年開始,我國鐵路橋梁設計荷載經歷了多次標準更新,1975年后,我國鐵路橋梁設計規范中均采用中-活載[5],如圖3所示。

圖3 中-活載荷載及特種荷載

如今,我國重載鐵路荷載主要有C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)、以及KM98(軸重30 t)四種形式,列車詳細參數見表2。

表2 我國重載鐵路列車參數

2.3 加固方案設計

擬采用的體外預應力加固法為折線型布置,通過調整轉向位置和預應力筋彎曲位置、高度,使外荷載產生的內力與預應力筋產生的內力相抵消,從而起到加固卸載的效果[6]。所以,體外預應力筋外形應盡量與外彎矩圖一致,布置如圖4所示。

圖4 體外預應力筋折線布置

在T梁下翼緣兩側分別布置單根通長1860鋼絞線作為體外預應力對其進行加固處理,暫不設置轉向塊。因體外索與原結構之間屬于無粘結狀態,后續使用過程中出現的預應力損失可能會導致預應力產生的內力與外荷載產生的內力無法抵消,對最終加固效果會產生不利影響,可參照JGJ 92—2004《粘結預應力混凝土結構技術規程》中的體外筋來計算[7]。

梁肋部施加體外預應力束,鋼束線性圓曲線半徑為12 m。鋼絞線技術條件必須符合高強度低松弛270級鋼絞線標準強度的要求。其中,張拉控制應力為855.6 MPa,彈性模量Ey為1.95×105MPa;初始荷載為70%持續1 000 h的松弛值≤2.5%,單根面積A為140 mm2,加固后鋼束最大應力為1 028.1 MPa。預應力鋼筋材料性能見表3。

表3 預應力鋼筋材料性能

3 加固前驗算

3.1 靜力分析

3.1.1剪力與彎矩

通過有限元軟件,以該橋第一跨為例,分析出不同軸重時列車荷載作用下該跨橋梁不同截面處剪力與彎矩,輸出數據見表4和表5。

表4 不同軸重列車作用下橋梁截面彎矩 kN·m

表5 不同軸重列車作用下橋梁截面剪力 kN

結合表4及表5可知,在重載運輸狀態下,鐵路橋梁主梁內力會產生較大幅度的變化。如今重載列車的普及和列車通過頻次增多,對于需要通過密集型重載列車的橋梁必須加強其橋梁狀態的檢查,保證其結構健康狀態,橋墩和跨中部位應注意其病害情況。

3.1.2靜撓度

橋梁靜撓度指數對于橋梁結構穩定至關重要,如果鐵路橋梁在正常荷載作用狀態下靜撓度過大,則說明該橋剛度不足,繼而無法保證橋梁結構穩定以及鐵路行車安全。利用有限元軟件分析,在C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)作用狀態下,豎向靜撓度示意圖如圖5所示。

圖5 不同軸重列車荷載作用下豎向撓度

由圖5可知,隨著列車軸重不斷增加,跨中豎向撓度不斷增大。TB 10002—2017《鐵路橋涵設計基本規范》[8]中對鐵路梁橋豎向撓度規定,當重載鐵路跨度范圍為40 m

3.2 動力分析

列車荷載利用節點動荷載進行模擬。正常狀態下,重載鐵路列車運營速度一般為60～75 km·h-1,故模擬速度為60 km·h-1、65 km·h-1、70 km·h-1與75 km·h-1四種工況。

節點動荷載大小根據不同列車軸重來設置,Z方向模擬該軸重列車的豎向荷載,Y方向模擬該軸重列車的橫向作用力。根據有關規定,采取列車豎向荷載的1/3作為其對于鐵路橋梁橫向作用力。動力分析時,簡化列車荷載如圖6所示。

圖6 列車荷載簡化示意圖

時程分析則需先建立模型,得到各種模型數據,運用特性值分析從而達到控制數據,繼而創建時程荷載工況和時程荷載函數,將節點動荷載輸入,運用結構動力分析,得到豎向動撓度與跨中橫向加速度曲線。其中,時程函數如圖7所示。

圖7 時程函數圖

利用有限元軟件模擬在C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)列車荷載作用下的四種不同工況,輸出該橋梁最大動撓度數值,從而得出豎向動撓度與列車速度的關系,結果如圖8所示。

圖8 不同軸重列車不同工況時最大豎向動撓度

由圖8可知,在同一軸重列車荷載作用下,速度越大,橋梁豎向動撓度越大。當列車處于60～70 km·h-1時,該橋豎向動撓度隨著速度增長微微增大;當列車速度到達75 km·h-1時,豎向動撓度相比低速時會顯著變大。以C64(軸重21 t)列車為速度75 km·h-1的工況為例,通過橋梁跨中撓度時程曲線如圖9所示。

圖9 C64(軸重21 t)列車以75 km·h-1通過時撓度時程曲線

可見列車軸重、速度與橋梁跨中動撓度息息相關。當重載列車到達橋梁相同位置,軸重越大或速度越快,跨中動撓度則越大;當運行至鐵路橋梁跨中時,跨中動撓度增值達到最大。

4 加固后驗算

在橋梁有限元模型基礎上進行加固設計,加固后有限元模型如圖10所示,截面鋼筋布置如圖11所示。

圖10 16 mT梁加固后模型

圖11 鋼束預應力布置

4.1 靜力分析

加固后,靜力荷載與加固前相同,包括結構自身自重與二期恒載,活載為C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)列車作用。

4.1.1剪力與彎矩

利用civil輸出加固后橋梁不同軸重列車在相同工況條件下荷載效應值,并將其與加固前荷載效應值作對比,結果見表6和表7。

表6 加固前后橋梁截面彎矩對比 kN·m

表7 加固前后橋梁截面剪力對比 kN

結合表6及表7可知,通過在梁肋部施加體外預應力束,可明顯改善鐵路橋梁跨中部位彎矩作用力,橋梁整體性能提高,橋梁富余度增加,讓受力結果更加保守。但對其支座處剪力作用力影響作用不大,如需改善要通過增大截面或其他加固方法。

4.1.2靜撓度

利用有限元軟件分析,在C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)作用狀態下,加固前后豎向靜撓度對比如圖12所示。

圖12 加固前后豎向靜撓度對比

該橋梁加固后,C64重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從6.826 mm下降至4.537 mm;C70重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從7.453 mm下降至5.157 mm;C80重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從8.486 mm下降至6.177 mm;在KM98重載列車作用下,跨中豎向靜撓度從10.197 mm下降至7.866 mm?？梢姌蛄贺Q向剛度提高,加固效果明顯。

4.2 動力分析

模型加固后,利用有限元軟件模擬C64(軸重21 t)、C70(軸重23 t)、C80(軸重25 t)以及KM98(軸重30 t)列車荷載作用下,處于運營速度為60 km·h-1、65 km·h-1、70 km·h-1與75 km·h-1四種工況時該橋梁的最大動撓度數值,并與加固前進行對比,如圖13所示。

圖13 加固前后動向靜撓度對比

由圖13可知,加固后,該橋梁豎向動撓度不同軸重的不同速度工況下都有了顯著減小,橋梁豎向剛度明顯增加,說明加固效果良好。

5 結論

體外預應力加固法是指將預應力鋼筋布置在混凝土界面之外,產生預應力的結構體系,從而分擔橋梁承受荷載,永久性提高橋梁承載力[9]。通過將該方法應用于重載鐵路T梁加固,利用Midas civil有限元軟件創建了16 m普通混凝土T梁橋,分析其靜力狀態與動力狀態下橋梁的受力特征與受力情況,主要結論如下:

5.1 靜力分析中,相同重載列車荷載作用下,彎矩改善效果明顯,但該方法對支座處受剪力影響不大,豎向靜撓度平均降低了1.5 mm。

5.2 動力分析中,豎向動撓度平均降低了1 mm,橫向加速度均有所下降,安全容量值大大提高。證明使用該方法對該橋梁豎向和橫向剛度都有所改善,且加固效果良好。