合九铁路梅林中桥粘钢加固技术研究与应用

2014-07-25孙铁盾

铁道勘察 2014年4期

关键词：梁体粘贴挠度

孙铁盾

(上海铁路局工务处，上海 200071)

合九铁路梅林中桥粘钢加固技术研究与应用

孙铁盾

(上海铁路局工务处，上海 200071)

结合合九铁路梅林中桥加固试验工程，研究粘钢加固技术对于提高铁路小跨度低高度钢筋混凝土梁竖向刚度的可行性。通过ANSYS有限元建模分析、理论计算、工程试验及加固测试，证明粘钢加固技术可有效提高铁路小跨度低高度混凝土梁的竖向刚度，具有施工便捷、费用经济、对铁路运输干扰少的特点，可为同类病害桥梁的加固设计与施工提供参考。

低高度；铁路桥梁；竖向刚度；粘钢；有限元

1 工程概况

合九铁路梅林中桥全长105 m，上部结构为11孔8.0 m低高度钢筋混凝土梁，于1992年竣工。该桥梁底存在多条横向裂纹，且有向腹板及上翼缘发展趋势，导致梁体竖向挠度大于《铁路桥梁检定规范》规定的1/1900的竖向挠跨比通常值。为提高梁体竖向刚度，选取该桥第10孔(2片)低高度钢筋混凝土梁进行试验性加固。加固方案如图1所示。

图1 试验梁截面示意(单位：mm)

每片梁底板粘贴3块320 mm×8 mm×7 500 mm钢板，采用日本SHO-BOND公司环氧基树脂粘结剂GROUT进行压力注胶，并用化学锚栓固定。

2 基于实体有限元计算分析

2.1 有限元模型

加固前梁体模型为考虑挡碴墙开缝和模拟裂缝的实体有限元线性模型，如图2所示。

图2 实体有限元线性分析模型

模型在DF4机车静活载作用下跨中挠度为4.16 mm，而加固前实测桥梁跨中动挠度最大值为4.50 mm，扣除动力系数1.1的影响后，实测最大静挠度为4.09 mm，说明可较好地模拟加固前的竖向刚度。

2.2 有限元计算

通过有限元建模计算分析，加固效果见表1。

表1 粘贴钢板加固效果分析

由计算结果分析可知：

①加固效果明显，跨中挠度较加固前降低16.87%，竖向基频提高8.59%。

②竖向基频提高率约为挠度降低率的一半，符合力学原理。

2.3 梁体适筋情况检算

粘钢加固后，可能使梁体超筋，为此需要进行验算。根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)可知

fcbx=fsdAs+EspεspAsp

加固钢板的拉应变按下式确定

εsp=εcu(βh-x)/x-εc1(h-x1)/x1

εc1=Md1x1/EcIcr

得到

250.2 mm

可知受压区高度在上翼缘厚度内，从而得到截面的相对受压区高度

ξ=x/h0=250.2/496=0.5

满足条件

ξ=0.5≤ξb=0.8/(1+300/0.003 3Es)=0.55

贴底板钢板加固后的梁体为适筋构件。上述计算并未考虑受压区钢筋的作用，若计入受压区钢筋的作用，受压区高度将会更小，所以上述计算是偏安全的。

3 加固施工

3.1 施工工艺

粘贴钢板加固工法是使用混凝土锚栓将裁减好的钢板固定在桥梁底面，保证钢板与梁底面有2～3 mm的空隙，然后用SHO-BOND密封胶沿钢板边缘进行密封，最后通过预留的注入口注入灌钢胶，实施补强的施工工艺。施工流程：梁底表面处理—钻孔并安装锚栓—钢板除锈、钢板防腐涂装—安装钢板—钢板边缘密封作业—灌胶作业—养生—钢板最后一道面漆涂装。

3.2 施工技术

粘贴钢板加固工法，技术关键点是保证在列车动荷载作用下钢板能通过结构胶与梁体粘结牢靠，从而形成整体共同受力。要达到这种加固效果，就需要施工技术和材料特殊性能的保障。

(1)施工技术要求

①混凝土表面处理，保证混凝土表面洁净、干燥和平整；②钢板安装前，要进行除锈和粗燥处理；③保证钢板和梁底混凝土之间的空隙为2～3 mm；④压力注胶，必须保证钢板与梁体之间的空隙胶体填充密实、饱满；⑤胶体养生的环境温度不得低于5 ℃。

(2)材料性能要求

为了保证钢板灌注胶在列车动荷载作用下仍能正常凝固，且达到预期要求的粘结强度，就要求该结构胶具有适度的柔韧性，对外力的冲击和振动有一定的追随性，且结构胶硬化后不能收缩，以上性能是保证粘钢加固工艺能实现不中断行车的关键。

SHO-BOND GROUT是一种双组分的环氧基树脂粘结剂，有优越的性能和强大的粘结力，能在动荷载作用下正常凝固，且达到预期要求的粘结强度。

4 加固测试

加固前后试验梁实测跨中最大挠度对比分析见表2，梁体挠跨比分析(动力系数以1.1考虑)见表3。

表2 加固前后跨中最大挠度测试结果分析

表3 加固前后梁体挠跨比分析

从以上分析可知：

(1)加固后实测跨中最大挠度较加固前减小22.8%，加固效果明显。

(2)加固后换算至静中-活载挠跨比为1/2 366，小于《铁路桥梁检定规范》规定的钢筋混凝土低高度梁1/1 900的竖向挠跨比通常值，表明梁体的竖向刚度已满足规范要求。

5 结束语

(1)理论和实践均表明，对于跨度8.0 m低高度钢筋砼梁，采用粘贴钢板加固技术，可有效提高铁路小跨度低高度钢筋混凝土梁的竖向刚度。

(2)本次试验性粘贴钢板加固施工是在列车正常运行的情况下进行，实测结果验证了此加固技术在列车正常运行的前提下，加固效果均较理想，加固施工安全、有效，在既有线上施工具有很大的优越性。

(3)粘贴钢板加固工程造价低，按该桥跨度8 m的混凝土梁测算，采用粘钢加固法则仅需14万元/孔。而采用传统换梁方法工程造价约42万元/孔，且需长时间封锁线路，尤其是在长大桥梁上施工时施工风险大、对铁路运输的干扰更大。目前竖向刚度不足的混凝土梁全铁路局共有81孔，若采用粘钢加固方法，综合考虑新梁与旧梁使用寿命的差异，可节约固定投资约918万元，经济效益将更为可观。

[1] 中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号铁路桥梁检定规范[S].北京：中国铁道出版社，2004

[2] 中华人民共和国交通部.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[4] 中华人民共和国建设部.GB50367—2006混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006

[5] 白凡.粘贴钢板加固钢筋混凝土梁数值分析研究[D].沈阳：东北大学，2008

[6] 刘海洋.外贴钢板及碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面试验与数值分析[D].南京：南京水利科学研究院，2002

[7] 顾泽滋.铁路既有线改造桥涵勘察问题探讨[J].铁道勘察，2013(5):55-02．

[8] 赵冠刚，张宗鲁，聂磊，王康.某既有线铁路桥墩的加固设计[J].铁道勘察，2012(2):86-03．

[9] 徐洪权.高速铁路端刺桥梁墩梁固结部位局部应力分析[J].铁道勘察，2014(1):88-02

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