合九铁路9号桥体外预应力加固Ansys仿真分析与实践

孙铁盾

(上海铁路局工务处,上海　200071)



合九铁路9号桥体外预应力加固Ansys仿真分析与实践

孙铁盾

(上海铁路局工务处,上海200071)

摘要：为整治既有线小跨度低高度钢筋混凝土梁普遍存在的竖向刚度不足的病害,应用Ansys有限元数值模拟计算分析,研究体外预应力加固技术的适用性,并对体外预应力钢绞线和体外预应力精轧螺纹钢筋方案进行方案比选；通过现场实测数据与理论分析的对比验证,结论为：体外预应力精轧螺纹钢筋加固技术可有效恢复小跨度低高度钢筋混凝土梁竖向刚度,具有经济高效、施工便捷、对铁路运输基本无干扰等特点,值得推广。

关键词：铁路桥梁；钢筋混凝土梁；体外预应力；加固

我国既有铁路六次大提速以来，在役铁路桥梁由于受到建设期间设计的局限、材料、施工质量等方面的影响，陆续出现了各种病害，其中运营的小跨度低高度钢筋混凝土梁竖向刚度不足较为普遍，严重影响轨道线路的平顺性，制约着铁路运输效率，危及铁路运输安全。因此，对该类桥梁的加固显得尤为迫切。

在桥梁加固技术方面，我国公路桥梁发展较早，加固技术比较成熟，体外预应力加固技术在公路桥梁加固工程中得到了广泛应用，积累了大量成功经验。然而该技术在铁路既有线桥梁加固中相关研究不多，应用甚少。本文借鉴公路桥梁加固的成功经验，结合实桥加固试验工程，对体外预应力加固技术在铁路既有线桥梁竖向刚度加固方面的适用性进行了研究与应用。

1概况

1.1原桥概况

合九铁路9号桥中心里程为K39+585，上部结构为11孔8.0 m低高度钢筋混凝土梁，桥全长105.4 m，于1992年竣工。见图1。

图1　原桥实景

1.2病害情况及成因分析

2010年发现客运列车通过该桥时乘坐舒适度明显不足，于是对该桥梁体进行了振动测试，结果表明：DF4机车作用下的动态挠度最大值达4.17 mm，换算中-活载作用下梁挠跨比为1/1 688，大于《铁路桥梁检定规范》(铁运函[2004]120号)(以下简称“《桥检规》”)[1]规定的钢筋混凝土低高度梁1/1 900的竖向挠跨比通常值，梁体竖向刚度已不满足铁路运营要求。

为分析该类梁体竖向刚度不足的原因，通过对大量小跨度低高度钢筋混凝土梁的普查及研究，认为产生病害的原因主要是由于该类梁体混凝土强度普遍低于原设计强度等级，混凝土质量较差导致梁体抗弯承载能力不足，梁体跨中出现了多处受力裂缝，削弱了结构有效断面，以致竖向挠度过大，刚度不足[2]。从以上分析可知，该类梁体病害已经危及行车安全，必须尽早研究科学、合理、可行的解决办法。

2加固方案的提出

如果采用旧梁换新梁的方法，虽然可以解决此类问题，但由于病害混凝土梁数量之多，换梁工程造价之大，且会严重影响列车正常运行。为此，借鉴公路桥梁加固中较成熟的体外预应力加固技术，以闭合梁体受力裂缝，达到提高刚度的效果[3]。

方案一：每片梁拟采用4根φ15.2 mm预应力钢绞线，对每根预应力钢绞线均施加104.2 kN的预张力。

方案二：每片梁拟采用4根φ32 mm精轧螺纹钢，对每根预应力钢筋均施加104.2 kN的预张力[4]。

3基于Ansys的加固效果理论分析

3.1有限元模型的建立

线性模型通过人为设置裂缝模拟开裂，非线性模型则根据Ansys提供的Solid65单元自动模拟裂缝的开闭。因非线性模型同时考虑了预应力对裂缝的闭合作用和预应力筋与梁体的联合作用，其计算结果在分析上具有重要参考价值，所以本次模拟采用非线性模型[5]。如图2所示。

图2　考虑体外预应力筋的梁体有限元非线性分析模型

混凝土采用Solid65单元，普通钢筋和预应力钢筋均采用Link8单元，不考虑钢筋和混凝土之间的黏结滑移[5]。混凝土和钢筋的强度设计值均采用《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[6]规定的强度设计值。混凝土单轴非线性应力应变关系采用《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)规定的公式，并按多线性等向强化模型考虑。由于正常运营荷载下钢筋达不到屈服，故普通钢筋和预应力钢筋均按线弹性模型考虑。为更好地模拟预应力筋的锚固作用，预应力筋的两端节点与主梁上锚固位置处附近的若干节点采用刚性连接处理。

为考虑预应力施加历程对非线性分析的影响，在设置求解荷载步的时候使用了Ansys单元生死的功能[7]，所设置荷载步如下。

荷载步1：令模拟预应力筋的Link8单元失效并施加恒载，模拟预应力筋施加前的情况。

荷载步2：令模拟预应力筋的Link8单元生效并在其上施加温度荷载，并以在锚固点产生416.8 kN的预应力为目标经过试算确定温度值，这一步用以模拟预应力筋施加后的情况，并得到反拱值。

荷载步3：施加DF4机车静活载，使预应力筋与梁体联合作用，共同承受列车活载。

3.2有限元计算分析

普通钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比n的取值以及预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比m的取值，对挠度计算值影响较大[8]。

究其原因，是因为n的取值对混凝土实际受压区高度有影响。当n值较大时，混凝土受压区高度较大，截面换算惯性矩较大；反之，n值较小时，混凝土受压区高度较小，截面换算惯性矩也较小。值得注意的是，钢筋的弹性模量基本是恒定的，n值较大的情况对应的是混凝土变形模量较小的情况，取较大的n值计算的混凝土变形模量与实测弹性模量相差很大。这是因为实测的是混凝土瞬时弹性模量，而n值反映的是混凝土疲劳、徐变作用下很长时间内的累计变形情况，变形模量和弹性模量是两个不同的概念。因此，采用较大的n值可使得受压区高度和截面换算惯性矩的计算较为符合实际。

由于预应力筋是在混凝土疲劳和徐变效应基本完成后施加的，且时间不长，因此采用m=6.25是较合理且偏于保守的。但是，加固后的桥梁经过长时间的运用，混凝土、普通钢筋和预应力筋还将由于疲劳、徐变而发生应力重分布，这必将改变混凝土实际受压区高度和梁体刚度。从这个意义上而言，取m=n=15的情况能反映长期的加固效果。

对于本低高度梁，根据铁路设计规范应取n=15，根据《桥检规》应取n=10，在有实测混凝土弹性模量的情况下可取n=20/3.2。为比较n值对计算结果的影响，在非线性模型的分析中，对于非预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比n的取值，分别考虑了n=15、n=10、n=20/3.2三种情况。对于预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比m的取值，分别考虑了m=n、m=20/3.2两种情况进行。计算结果见表1。

表1　基于非线性模型的刚度加固效果分析

据表1可得出如下结论。

(1)加固前DF4静活载下挠度为4.16 mm，与实测值4.01～4.17 mm较为接近；而当n=10或者n=6.25时，活载挠度均大大超过实测值，表明计算结果低估了梁体实际刚度，这是由于计算的混凝土受压区高度较小引起的。可见，按设计规范取n=15可较好模拟梁体加固前的刚度。

(2)采用n=15、m=6.25时，方案二(预应力钢筋)对提高梁体刚度的效果达8.2%，同等预张力大小的方案一(预应力钢绞线)刚度加固效果为1.9%，仅为方案二的1/4；采用m=n=15时，方案二(预应力钢筋)加固方案对提高梁体刚度的效果达16.3%，同等预张力大小的方案一(预应力钢绞线)刚度加固效果为3.8%，同样为方案二的1/4。由于方案一张拉的预应力筋的截面积为方案二的1/4，同样验证了刚度的提高效果与所张拉钢筋的截面积成正比这一关系[8]。

由此可见，基于实体有限元仿真模拟分析结果表明，采用方案二(预应力精轧螺纹钢筋)加固方案对于8 m低高度混凝土梁刚度提高百分比可达8.2%～16.3%，加固效果显著，推荐采用。

4加固方案的实施

为从实测上检验方案二(精轧螺纹钢筋)的加固效果，选取该桥1孔混凝土梁进行试验性加固。如图3所示。

图3　体外预应力(精轧螺纹钢)加固施工

预应力精轧螺纹钢筋通过固定端与张拉端钢构件与桥梁梁底连接，在工厂定制，钢构件采用Q345钢，钢构件表面采用整体热浸锌防锈处理，热浸锌外面再涂2道红色和银色防锈漆[9]；固定端和张拉端钢构件与混凝土梁的连接，采用德国慧鱼高强锚栓及配套植筋胶水连接，规格M20，植筋深度170 mm；每根纵向预应力筋张拉控制力为104.2 kN，张拉时应保证同一孔二片梁的8根预应力筋同步张拉。此外，加固前先对试验梁体裂缝进行封闭处理[10]。

4.1加固效果测试验证

由于跨中最大挠度与列车速度关系并不明显，故可忽略列车速度的影响，以跨中最大挠度平均值进行对比分析。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)[11]见表3。

表2　加固前后梁体跨中最大动挠度测试结果

表3　加固前后梁体挠跨比分析

从表2中数据分析可知：

(1)加固后试验梁的实测跨中最大挠度较加固前分别减小15.0%、16.1%，加固效果明显；

(2)加固后试验梁换算至静中-活载挠跨比为1/2 010，小于《桥检规》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《桥检规》要求。

5结语

(1)有限元数值模拟计算得出体外预应力精轧螺纹钢筋加固方案的刚度提高16.3%，现场实测结果表明其提高刚度的效果达到15%～16%，说明基于Ansys实体有限元的预应力加固效果分析能较好地模拟加固前后梁体实际刚度，对实测加固效果进行了相互验证，具有一定的合理性[12]。

(2)体外预应力加固技术与传统换梁方法相比，不仅施工便捷，而且将会产生更大的经济效益。按

1孔跨度8 m的混凝土梁测算，换梁工程造价42万元，需要列车限速至少15 d，封锁线路至少3 h，给铁路运输造成损失约14.7万元；而体外预应力加固法仅需15万元，不需要列车长时间限速，对铁路运输基本无干扰。按我局81孔同类病害梁计算，综合考虑新梁与旧梁使用寿命的差异，体外预应力加固法可节省固定投资约900万元，免去铁路运输损失约1 191万元。若该技术在全路同类病害桥梁加固中推广应用，经济效益将更为可观。

参考文献：

[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]张树仁，王宗林.桥梁病害诊断与改造加固设计[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]中华人民共和国交通部.JTGD62—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.

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[5]沈殷，李国平，陈艾荣.体外预应力混凝土梁的非线性有限元分析[J].同济大学学报：自然科学版，2003(7)：803-807.

[6]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.

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[12]鲁玉忠，于剑丽，宋银平.中美公路桥梁设计规范对比研究[J].铁道标准设计，2013(5)：79-83.

Simulation Analysis and Practice of ANSYS External Prestressed Reinforcement for Railway Bridge 9#SUN Tie-dun

(Permanent Way And Bridge Department Of Shanghai Railway Administration, Shanghai 200071, China)

Abstract：To overcome the defects of existing reinforced concrete beams with low height, small span and insufficient vertical stiffness, ANSYS FEM numerical simulation calculation and analysis is employed to assess the applicability of external reinforcement technology, and the program with prestressed strand ant that with finishing rebar are compared. The comparative verification of the measured data and theoretical analysis concludes that the external prestressed reinforcement with finishing rebar can effectively recover the vertical stiffness of reinforced concrete beams with low height and small span and prove to be cost-effective, convenient in construction with almost no interference to the traffic and worth promoting.

Key words：Railway bridge; Reinforced concrete beam; External prestressing; Reinforcement

中图分类号：U445.7+2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.018

文章编号：1004-2954(2015)01-0074-03

作者简介：孙铁盾(1980—)，男，工程师，2005毕业于大连交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail：13548288@qq.com。

基金项目：上海铁路局科技研究开发计划(2011077)

收稿日期：2014-04-07； 修回日期：2014-05-15