既有铁路预应力混凝土梁主要病害及加固探讨

2014-04-11袁伟上海铁路局建设管理处

上海铁道增刊 2014年1期

关键词：拱度梁体安全系数

袁伟上海铁路局建设管理处

袁伟上海铁路局建设管理处

以某既有线病害桥梁改造项目为例，阐述该桥出现的主要病害，分析病害产生的原因，选取合理的加固方法并进行粗略的加固计算，为同类桥梁病害处理提供借鉴。

预应力混凝土梁；主要病害；原因分析；加固方案

1 概述

1955年，我国铁路部门研制成功第一片跨度12m的预应力混凝土铁路桥梁,1956年建成28孔24m跨的新沂河大桥，从而开始了预应力混凝土技术在我国铁路上的应用。我国铁路预应力混凝土梁标准设计经历了4次较大的修改，即60年代～70年代中期预应力梁采用大138、大（65）138和叁标外桥006A标准图；80年代采用叁标桥2019标准图；90年代后采用专桥2059标准图；自2001年起采用专桥（01）2051标准图。由于设计、施工等方面的原因，原采用大138、大（65）138和叁标外桥006A标准图设计的23.8m、31.7m预应力混凝土梁经过较长时间使用后普遍出现了横向刚度不足、上拱度过大、有效预应力不足、沿预应力管道纵向裂纹等病害，随之带来了桥上道砟厚度不足、桥梁支座位移量超限、承载能力安全系数和抗裂安全系数下降、预应力筋锈蚀等一系列问题。下面以某既有线改造项目预应力混凝土梁为例，阐述该桥出现的主要病害，分析病害产生的原因，选取合理的加固方法并进行粗略的加固计算。

2 桥梁概况

该桥上部结构为7孔31.7m预应力混凝土T梁，桥上线路为直线平坡，设计图号为叁标外桥006A，设计活载等级为中-22，由铁三院设计，铁道部第四工程局第四工程处施工，于1973年10月开工，同年11月底竣工，桥梁实景见图1。

图131.7m预应力混凝土T梁实景图

3 桥梁主要病害

（1）该桥梁体横向连接薄弱，整体性差，横向刚度不足。

（2）该桥梁上拱度过大（各孔梁上拱度数据见表1,第4孔梁上拱度最大达122mm），导致梁跨中枕下道砟厚度小于0.25m，造成活载冲击过大。

（3）该桥梁体有效预应力偏低，承载能力下降，梁体抗裂性能不能满足规范要求。

（4）该桥梁体端部存在大量锚端裂纹，梁体腹板外侧存在大量由梁端往桥跨中心延伸的沿预应力管道的纵向裂纹。

表1 各孔梁上拱度数据

4 病害分析

4.1 横向刚度不足原因分析

由于当时设计水平有限，对横向刚度认识不足，按当时规范设计的桥梁横向连接较弱，整体性差，其次在长期运营荷载作用下，两片T梁的竖向变位差和横向过大振幅造成连接两片梁体的横隔板混凝土剥落，钢板锈蚀，整体性和横向刚度进一步降低。

4.2 上拱度过大原因分析

（1）早期规范对预施应力阶段梁体预压应力限值取值过高，造成梁下缘混凝土压应力过大，而混凝土的徐变量与长期荷载作用下的应力值有关，当应力小于0.5Ra时徐变系数与应力之间有线性比例关系，若应力大于0.5Ra时徐变的增长比应力的增长快[5]。即早期规范对下式中徐变系数终极值φt=∞的认识不足，从而导致混凝土徐变量过大。

式中f预为终张拉时产生的上拱度值，f二期为架梁后道砟等二期恒载引起的挠度，φt=∞为徐变系数终极值。

（2）查阅该桥施工资料得知，该桥由于施工工期较短，为了缩短工期，施工单位在施工时使用了快硬水泥，添加了减水剂并采用高温蒸汽养护，造成终张拉时梁体早期强度较高而相应弹性模量较低，加大了梁体的弹性变形；同时，由于未预设反拱，设计未对终张拉时混凝土的龄期作出规定，存梁时间过长，造成徐变上拱度增大。

4.3 梁体抗裂性能不足原因分析

（1）早期规范对预应力损失估计不足，特别是按照1975年及以前规范设计的桥梁，导致预应力损失过大，造成有效预应力不足。以叁标外桥006A标准图为例，预应力筋标准强度1470MPa，按相应年代设计规范计算的跨中预应力筋预应力损失为451.1MPa，而按现行设计规范计算的跨中预应力筋预应力损失为524.3MPa，两者相差为73.2MPa。

（2）设计未对终张拉时混凝土的龄期未作出规定，而且施工质量不高，导致混凝土抗拉强度偏低。

（3）上拱度过大引起预应力损失，导致有效预应力降低。

4.4 沿预应力管道的纵向裂纹原因分析

（1）早期规范对预施应力阶段梁体压预应力限值取值过高，而腹板厚度过薄，保护层厚度小，由此产生很大的横向拉应力；而施工质量不高，粗骨料少，水泥浆多而导致收缩过大也是一个原因。

（2）设计未对终张拉时混凝土的龄期作出规定，导致混凝土强度偏低。

5 病害加固方案探讨

该桥为干线铁路桥梁，全桥如果换梁不仅施工难度大，费用高，而且影响铁路运输组织和运营安全。因此对该预应力混凝土病害桥梁需寻求一种简单可靠且对运输影响又小的加固方案。

5.1 横向刚度不足加固方案

经过多年的研究与实践，通过在既有横隔板位置旁边增设预应力钢筋混凝土横向联结板的方式（如图2所示）可以有效增加梁体的横向刚度，从而有效解决梁体横向刚度不足的问题，经计算该加固方式使每片梁恒载约增加3.59kN/m。

图2 预应力混凝土T梁横向加固示意图

5.2 上拱度过大处理方案

上拱度超限导致梁跨中枕下道砟厚度不足，可以采取增加桥上道砟厚度的方式处理，增加道砟厚度引起的二期恒载可以通过加固提高竖向承载能力解决，假设桥上增加5cm厚度的道砟，将会使每片梁恒载增加1.94kN/m。

5.3 抗裂安全系数不足加固方案

横向加固、道砟厚度增加、梁体有效预应力不足都会导致承载能力安全系数和抗裂安全系数的下降。经过计算，设计图号为叁标外桥006A的31.7m直线梁，由于预应力损失等原因跨中截面承载能力安全系数和抗裂安全系数分别为1.954和1.09，《桥检规》中规定预应力混凝土梁在主力作用下承载能力安全系数和抗裂安全系数分别不得低于1.9和1.15，由此可知梁的承载能力基本满足要求，抗裂安全系数不足，因此应进行提高抗裂安全系数的竖向加固。

铁路混凝土桥梁竖向加固常用的有粘贴钢板、碳纤维加固、体外预应力等方法。碳纤维和粘贴钢板加固方法是通过增加截面刚度来减小受拉区混凝土拉应力，从而提高抗裂安全系数。体外预应力加固方法是通过受拉区施加预应力从而产生一个预压轴向力和预弯矩，属于主动加固。因此本桥梁病害更适合采用施加体外预应力的加固方法，即在梁体内外两侧布置体外预应力束，锚固在梁体的腹板上，加固简图如下图3所示。每片梁采用2×4根直径17.8mm的预应力钢绞线，对每根钢绞线均施加150kN的预拉力,以平衡预应力损失及横向加固、道砟厚度增加引起的二期恒载。加固计算中未考虑体外预应力的损失，数据如下表2所示，加固后跨中截面抗裂安全系数满足现行规范要求。