铁路桥承台病害分析及加固设计

靳 飞

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京 100055;2.中南大学土木建筑学院，长沙 410075)

铁路桥承台病害分析及加固设计

靳 飞1，2

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京 100055;2.中南大学土木建筑学院，长沙 410075)

对既有铁路桥开裂承台和加固后承台分别进行受力分析，研究探讨承台开裂的力学原因和预应力承台加固法的效果。运用Ansys软件建立承台空间有限元模型，分析承台的受力特性，将计算结果与承台实际裂缝的发展情况进行对比，得出:承台顶面裂缝发展区域存在拉应力，拉应力是导致承台开裂的力学原因;对承台施加预应力，分析承台预应力加固后的受力特性，得出:沿实际裂缝发展方向未出现拉应力，表明预应力承台加固法改善了承台的受力状况，对裂缝的进一步扩展能起到抑制作用;

铁路桥;承台加固;数值仿真;裂缝

1 概述

近年来，铁路混凝桥病害承台的数量急剧增长，成为桥梁维护工作者的一大负担［1］。我国铁路桥墩承台之所以产生如此严重的病害，主要原因是早以前我国铁路桥墩承台的设计偏重于满足刚度等硬指标［2］，忽视承台的耐久性，随着时间的推移，混凝土承台由于受荷载、温度应力、冻融、盐害、碳化等多种物理化学因素［3］的作用，导致混凝土承台产生裂纹，其后果是承台承载能力和刚度的降低［4］，严重影响承台使用功能和耐久性。所以需要对开裂的承台进行加固，通过对承台施加预应力，以提供主动约束力来控制裂缝的进一步发展［5］，从而使开裂后的承台能满足主要规范、技术标准和运营要求。

2 加固工程概况

某铁路高架桥目前为四线铁路，其中1、2线建设时间较早，4线为新建铁路［6］。现场勘察后发现高架桥承台开裂是普遍情况，其中个别承台开裂情况严重，且大部分裂缝在承台表面呈现一定规律性，即从墩柱底四个角开裂，分别向每侧的中线汇合后再延至承台四边的中线位置后，顺承台顶向下发展，具体参见图1。

图1 基础承台顶面裂缝示意

3 承台开裂原因的数值分析

3.1 承台有限元模型的建立

承台有限元模型包含了桥墩、承台和桩。其中，墩取0.5 m，桩取1.6 m，且桩外臂与承台不相互作用。模型采用solid45实体单元进行离散［7］，共有36 560个单元，27 836个节点，将桩底面上所有节点的6个自由度均进行约束，在承台顶部施加由上部结构及桥墩传下来的3 533 kN的竖向力，有限元模型如图2。

图2 承台有限元模型

3.2 计算结果分析

图3为承台顶面主拉应力σ1分布云图，由该图可知:沿实际裂缝发展方向，主拉应力均大于0，且最大主拉应力约为0.3 MPa，表明承台顶面裂缝发展区域确实有拉应力存在。

通过对上述资料的分析，初步得出病害原因:首先承台及桩基础的设计满足当时规范的要求，承台的尺寸及桩基的布置满足刚性角的需要，开裂的原因主要是由于在当时设计时混凝土强度等级低(本桥承台为C18混凝土)，承台配筋量小，致使混凝土承载能力较低，难以应付常年运营荷载作用下的各种外界环境的侵蚀和破坏。由于承台内钢筋很少，只在承台底面及桩顶处各布置了1层钢筋网，承台混凝土一旦由于各种原因出现初始裂缝，承台刚度会随之降低，又缺乏钢筋对裂缝的约束，裂缝就会继续发展，宽度也会增加。

图3 承台顶面主拉应力σ1云图

4 承台加固方案

4.1 加固步骤

主要加固步骤:(1)将原有承台侧面挖开;(2)清理承台侧面及顶面，将原顶面后浇的混凝土清掉，并清理裂缝内残渣，按要求进行植筋，打磨表面混凝土［8］;(3)在承台4个侧面立模板，浇筑混凝土，并预留预应力钢筋张拉孔道;(4)待混凝土达到设计强度后，分次对称张拉承台侧面后浇混凝土内的预应力钢筋［9］;(5)浇筑承台顶面混凝土;(6)基坑回填。

4.2 加固材料

主要的加固材料有:(1)C30混凝土;(2)低回缩预应力钢绞线，钢绞线的抗拉强度标准值为1860 MPa，弹性模量为 1.95 ×105MPa，符合 GB/T5224—2003标准，锚具采用低回缩锚具，回缩值小于1 mm;(3)HRB335钢筋。

4.3 预应力的模拟

在空间有限元分析中，预应力的处理方式主要分为两种:分离式和整体式。分离式就是将混凝土和预应力钢束的作用分别考虑，以外荷载的形式取代预应力钢束的作用，如等效荷载法［10］;而整体式则是将混凝土和预应力钢束划分为不同的单元一起考虑，通常用link单元来模拟预应力筋，采用降温法和初应变法来模拟预应力。本文采用等效荷载法来模拟预应力，在加固外包混凝土高度范围内分别施加了3个350 kN的外力来模拟预应力，有限元模型如图4所示。

图4 加固后的承台有限元模型

4.4 计算结果分析

图5为加固后承台顶面主拉应力σ1分布云图，由图5可知:沿实际裂缝发展方向，主拉应力接近于0 MPa，表明以上加固措施改善了承台的受力状况，对裂缝的进一步扩展能起到抑制作用。

图5 加固后的承台顶面主拉应力σ1云图

5 结论

通过对某线铁路承台加固方法进行有限元分析，得出承台裂缝发展的力学原因，并验证了预应力承台加固法可以提供主动约束力来控制裂缝的进一步发展，对于一些裂缝发展比较严重的承台是一种行之有效的处理措施。承台的开裂原因很多、也很复杂，对承台进行有限元分析来探究承台开裂的原因，以及采用外加预应力的方式对承台做整体加固，是对类似铁路桥梁承台病害处理的一种尝试，目前对该承台的加固施工已顺利完成，铁路也在正常运营中。

［1］ 万德友.必须高度重视铁路混凝土梁的病害整治［J］.铁道建筑，1994(12):7-9.

［2］ 孟凡林.我国铁路混凝土梁几个典型病害及其整治实例［J］.铁道建筑，1994(9):2.

［3］ 袁善堤.超低标号混凝土桩基承台加固［J］.浙江建筑，2010(7):43-49.

［4］ 李杰.承载力不足承台的加固设计研究［J］.公路，2010(7):42-45.

［5］ 黄河.化学灌浆技术在承台裂缝加固中的应用［J］.山西建筑，2010(21):132-13.

［6］ 沈志文.广深线混凝土桥梁病害整治［J］.铁道建筑，2004(11):33-34.

［7］ 乐云祥.高桩承台裂缝有限元分析［J］.公路交通科技，2005(2):63-66.

［8］ 任晓光.承台大体积混凝土温度应力分析与裂缝控制探讨［J］.科技情报开发与经济，2010(6):144-147.

［9］ 袁冬.流洪山大桥大体积承台裂缝控制技术［J］.施工技术研究与应用，2005(4):34-39.

［10］范立础.预应力混凝土连续桥梁［M］.北京:人民交通出版社，1988.

Diseases Analysis and Reinforcement Design of Pile Caps of Railway Bridge

JIN Fei1，2
(1.Bridge Engineering Design and Research Institute，China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China;2.School of Civil and Architectural Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

In this paper，stress analyses of the cracked and reinforced pile caps of the existing railway bridge are carried out respectively，so as to investigate on the mechanical reason of pile-cap's cracking and the efficiency of the method of reinforcement with prestressing force.In the meanwhile，this paper applies Ansys software to establish the pile-cap's space finite element model for numerical simulation analysis of stress characteristics.Further，the calculation results are compared with the actual crack situation.That draws the conclusion:there is tensile stress on the crack's developing area at the pilecap's top surface，and the tensile stress is the mechanical reason that causes the pile-cap's cracking.In addition，the stress characteristics of the reinforced pile cap are analyzed after being reinforced with prestressing force，and then the relevant conclusion is:there is no tensile stress along the crack's development direction.All these shows that the method of reinforcement with prestressing force used in pile cap can improve the stress condition of the pile cap and can control the further development of the crack too.

railway bridge;reinforcement of pile caps;numerical simulation;crack

U445.7+2

A

1004-2954(2012)07-0079-03

2011-12-08

靳 飞(1980—)，男，工程师。