某低高度钢筋混凝土梁重载改造技术研究

赵德宽

（中国神华神朔铁路分公司河东运输段，山西 忻州 036200）

0 引言

重载铁路运输具有运输量大、运输效率高、运输成本低等特点，逐渐成为大宗货物最为经济有效的运输方式，其运输效益已经被国内外铁路行业所证实[1]。国外一些国家重载铁路轴重普遍达到30 t以上，最大达到40 t[2]。近年来，随着神华集团各煤炭基地建设步伐的加快和矿区开采规模的扩大，迫切需要提高铁路货物运输能力。由于桥梁作为铁路线路的重要组成部分，列车轴重的增加必然对既有桥梁的性能提出更高的要求。本文以某低高度钢筋混凝土梁为例，提出了合理的桥梁重载强化改造方案，为类似桥梁加固改造提供参考。

1 桥梁概况

某双线桥共3孔，上部结构均为跨度10 m低高度钢筋混凝土梁，图号为专桥（91）1024，支座采用板式橡胶支座；下部结构采用耳墙式桥台和圆端形桥墩，桩基础。桥上线路为直线，2%上坡，上行重车线为无缝线路，Ⅲ型桥枕，75 kg/m钢轨，无护轨；下行轻车线为有缝线路，Ⅱ型桥枕，60 kg/m钢轨，无护轨。梁体底面距地面约4.4 m，已做横向加固，梁端设置横向限位装置。桥梁第2孔跨越道路，两侧设有限高架，限高4 m。桥上两线间不设护栏，上行线人行道外侧与桥外自闭线路电杆间净距8 m，外侧设有单侧电缆槽。该桥运营14年，通过运量达20亿t，随着运量的逐年增加，低高度钢筋混凝土梁陆续出现了横向开裂严重、竖向刚度不足等诸多病害，虽然整体运营状态基本良好，但不能满足开行大轴重货物列车的要求，需要进一步采取强化改造技术，制定保证大轴重货物列车安全平稳运行的条件。桥梁概貌如图1所示。

图1 桥梁概貌

2 桥梁强化的原因分析

增大货车轴重、开行长大编组重载组合列车是提高铁路运输能力的最佳途径，但开行大轴重重载运输将提高对基础设施承载能力的要求。

根据该桥的调研情况，桥梁结构的整体运营状态基本良好，但面对运量逐年增加的局面，该桥陆续出现了诸多病害，桥梁的劣化速度加快。通过综合分析原因，主要表现为：

（1）双片式并置梁横向连接较弱，整体性能差，梁体横向自振频率低，列车通过时梁体横向振幅偏大，部分超出《铁路桥梁检定规范》安全限值。

（2）钢筋混凝土梁横向开裂严重，竖向刚度不足，部分梁的底板存在纵向裂缝，重车线的梁劣化速度明显加快。

（3）支座纵向位移量大；随着万吨列车的开行，桥梁支座病害日益凸现，部分支座位移超限。

3 桥梁强化改造技术比选

针对桥梁体病害出现的原因和低高度钢筋混凝土梁在荷载作用下的实际工作状态，通过系统的试验研究和综合比选，提出该桥强化改造技术方案，对桥梁上行重车线第1、第3孔既有梁更换为能满足30 t轴重重载货车运营要求的新型钢-混凝土结合梁，第2孔利用预应力碳纤维板进行加固，达到提高该桥安全运营条件和运营性能的要求。

3.1 钢-混凝土结合梁的技术优势

钢-混凝土结合梁桥是继钢结构桥梁与混凝土桥梁之后兴起的，是通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连接起来共同受力、变形协调的一种新型梁体结构。它充分发挥了钢的抗拉性能和混凝土的抗压性能，提高了梁整体的稳定性和刚度[3]。它主要有以下几个优点：

（1）组合梁截面中混凝土处于受压区，钢梁位于受拉区，混凝土受压能力强，而钢的受压能力强，充分发挥了这两种材料的强度[4]。与非组合梁相比，当承载力相同时，组合梁可节约一定量的钢材。

（2）由于钢梁的强度高，和混凝土结构相比，当梁体结构的刚度要求相同时，采用组合梁可有效降低梁体高度，从而减轻梁体自重。

（3）组合梁的翼缘部分较宽，增大了梁体侧向刚度，进而提高了梁体刚度。

（4）抗震性能好，对于重载列车的震动有了更好的承受能力，使梁的使用年限更长。

（5）钢梁上较易制作托架，供附属设施的安装。

3.2 预应力碳纤维板加固的技术优势

预应力碳纤维板加固属于主动加固技术的一种，利用碳纤维板高强、高弹材料特性，通过对碳纤维板预张拉，产生初始预应力以平衡结构的恒载，从而很大程度上延缓了裂缝的开展及减小裂缝宽度，有效提高了结构的刚度，减小结构构件的挠度。预应力碳纤维加固可显著提高受弯构件的承载能力，有效增大碳纤维材料抗拉强度的利用效率，改善构件的正截面应力分布，从而使构件具有比传统加固技术更优越的受力性能。另外，碳纤维板具有材质轻、抗腐蚀性能强等优点，尤其对于沿海地区长年遭受盐碱腐蚀的结构加固工程，其优势尤为突出[5]。这种加固方法的优点表现为以下几点：

（1）预应力碳纤维板抗拉强度很高，一般是等截面钢材的7～10倍，有效利用碳纤维的高强度，从而节约了材料。

（2）预应力碳纤维板结构重量轻，仅为200～300 g/m2，厚度为0.11～0.16 mm，可以实现在不给梁体带来负担的前提下增大梁体的承载力[6]。

（3）预应力碳纤维板具有良好的耐腐蚀性能和耐久性，可阻抗化学腐蚀、环境变化的破坏，能够更好地抵抗雨水的侵蚀。

（4）施工工艺流程简单、操作方便、省力节时，施工质量易于保证，减少了对线路开通的影响。

（5）可大幅度提高构件的抗震性能和承载能力。在列车通过时，减小冲击对梁体带来的危害。

4 桥梁强化施工方案

4.1 钢-混凝土结合梁换梁实施方案

4.1.1 施工工艺流程

钢梁定制—现场清理，搭设基础平台—电务、通信及自闭线路移动—铺设横向滑道—组拼高架台车—新梁上砟—安装新梁人行道，安装新梁支座—拆除旧梁，制作新梁限位设施—安装新梁—恢复线路开通列车。

4.1.2 换梁施工过程

线路封锁各点后，拆除桥上第2孔及台后各20 m线路扣件，用液压起道设备将第1、第3孔梁上钢轨及枕木顶起50 cm（以跨中最低点轨枕底部高过梁体挡砟墙15 cm为准），拆除横向盖板，上下行间石渣袋全部清除。启动旧梁台车，将旧梁移出桥位，旧梁移出桥位到达指定位置后，揭开纵向盖板，在预设吊点处穿挂钢丝绳，分片起吊旧梁至事先搭好的枕木垛上，并支顶稳固。移出旧梁的同时，墩台作业人员迅速进行支撑垫石处理及预埋螺栓孔钻制工作。待支撑垫石处理及吊车作业完毕后，启动旧梁台车走行移入下行线南侧位置，同时启动新梁台车的自走行装置，有技术人员控制新梁逐渐移入桥位，确保空间位置达到技术要求后方可落梁，并进行精准定位。落梁后将新支座钢板锚固，30 min即能达到设计强度，拆除支座连接板，对支座进行防尘罩安装。最后开始线路的恢复作业，即回落钢轨及轨枕，上紧主轨扣件，回填石砟并捣鼓，开通线路。然后进行附属设施的恢复工作[7]。

4.1.3 施工技术控制要点

结合梁设计荷载为1.2倍Z H荷载，速度目标值为90 km/h，牵引定数为20 000 t。结合梁采用变截面设计，梁体尺寸如图2所示。桥面板采用C55高性能混凝土，用H R B400普通钢筋，采用闪光对焊接头，剪力钉连接器根据《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》（GB/T 10433—2002）的要求制作。滑道铺设50 kg/m钢轨，采用普通木枕，碎石道砟铺面，横向滑道木枕按2 000根/km布置，枕底石砟厚度不小于250 mm，铺设的横向滑道轨顶标高距旧梁底3.55 m。利用高架台车吊卸新旧梁，拼装出旧梁台车4台（即2组）；拼装进新梁台车4台（即2组），台车宽2 m，长5.85 m，旧梁台车高度3.5 m，新梁台车高度3.00 m，单个台车承载能力不少于240 t，新梁台车上安设4台100 T起梁千斤顶，纵向安设4台50 T微调千斤顶，4台起梁千斤顶由一个泵站控制，以确保其同步顶升，在施工现场用300 t汽吊进行卸梁作业，支腿全伸，伸至100%，后方作业，作业半径为8 m，伸臂长度20.5 m，新砟的铺设以新梁就位后不改变线路既有标高、方向为原则。支座采用增大下座板的方法进行更换，即在原有下座板下增加一层40 mm厚Q345钢板，新加钢板在原下座板螺钉孔处，内套丝扣用原支座螺栓连接下座板与新加钢板，新加钢板采用直径27 mm喜利得化学锚栓与支撑垫石连接，固定支座型号采用TJ Q Z-8160-1000G D-0.20g，纵向活动支座型号为TJ Q Z-8160-1000Z X-0.20g。本桥每孔采用固定支座和纵向活动支座各2个，固定支座安装在小里程（朔州）侧，纵向活动支座安装在大里程（黄骅）侧。安装时因为支座下新增垫板40 mm厚，新梁比旧梁高度增加30 mm，故将每孔旧梁的4个支撑垫石向下采用绳锯的方法切割80 mm厚，切割时只切割现有橡胶支座外侧周边，支座外周留有5 cm宽垫石不切除，橡胶支座下部留在天窗点内凿除。

4.2 预应力碳纤维板加固施工

4.2.1 施工流程

选择专用纤维材料—材料进场检验—施工准备—安装锚具，锚具选择采用与材料厂家配套专用锚具—探测梁体钢筋位置—安装支承座、转孔，安装支承座和转孔过程中要准确控制位置—梁底表面处理，使用打磨机将表面风化的混凝土处理干净，并对严重损伤处进行填缝补胶处理—安装张拉设备，张拉设备与混凝土梁中轴线位置对正，保证张拉过程中梁体不偏心受力—配置结构胶，结构胶使用与纤维材料配套的黏结材料—张拉，施工过程采用分级张拉—表面防护，碳纤维板加固施工的表面防护分为两个方面防护：纤维材料防护和锚固装置防护[8-9]。

图2 梁体主要尺寸（单位：mm）

4.2.2 碳纤维板加固的施工过程

对梁体进行钢筋位置探测，在相应位置进行钻孔和开槽，将搅拌均匀的底涂界面胶用抹刷均匀地涂抹到整片作业梁底，在界面胶初凝前完成作业，然后植入化学锚固螺栓并进行拓孔，对锚固区槽内粗糙面进行适当打磨后安装锚固座，在碳纤维板的两端分别固定一个锚固装置，并通过高强螺栓将其固定在梁上。安装张拉锚固组件，根据千斤顶的行程，确定欲放入千斤顶的空间，穿入反力板，并将螺母旋紧，放入千斤顶，进行试张拉（一般张拉至2 t），待碳板拉直后，根据碳板在梁底的位置，确定碳板两侧安装固定扣压板的孔位。然后以20 kN为一单位等级进行分级张拉碳纤维板锚具组装件，直至预应力达到设计值，观察无异常后，继续进行超张拉，完成后对碳纤维板放张，而后开始正式张拉，并在张拉同时锁紧螺母。张拉完成后安装扣压板，依次旋紧碳板两侧的螺母，直到碳板密贴梁底为止。在梁底锚固区安装钢模板并进行临时固定，在封锚区内灌注自流平无收缩灌浆料。用灰色聚氨酯防水涂料均匀涂刷锚固罩及整个梁底。在梁长范围内顶板底面外侧安装铝合金挡水沿，防止水流腐蚀。

单子其将死乎！朝有著定，会有表，衣有禬，带有结。会朝之言，必闻于表著之位，所以昭事序也。视不过结禬之中，所以道容貌也。言以命之，容貌以明之，失则有阙。今单子为王官伯，而命事于会，视不登带，言不过步，貌不道容，而言不昭矣。不道不共，不昭不从，无守气矣。[注]本文引用的《左传》为中华书局影印清嘉庆刊本《春秋左传正义》(北京：中华书局，2009年)。为行文流畅，仅在需要说明处出注。

4.2.3 施工技术控制要点

钻孔前采用12 mm细钻头进行试钻防止损伤钢筋，钻孔深度不小于10 cm。锚固区钻孔整体位置精度要求：纵桥向±20 cm，横桥向±2 cm。钻孔深度精度要求0～5mm，钻孔直径精度要求±1mm。对梁底开槽时，深度不得超过混凝土保护层厚度。锚固区开槽整体位置精度要求：纵桥向±20 cm，横桥向±2 cm。锚固区开槽范围精度要求：纵桥向±2 cm，横桥向±1 cm。植入化学锚栓应与梁体表面保持垂直，植入垂直精度要求±1°，深度精度要求±2mm。对锚固座钻孔的最小净边距不应小于20mm。植入锚栓中心拓孔定位精度要求±0.5 mm，锚固座上钻孔位置精度要求±0.5 mm，任意两个锚固座的几何中轴线在横桥向的偏差不应超过±3 mm，相邻锚固座纵向间距偏差不应超过±20 mm。张拉时，在碳纤维板顶面均匀涂抹胶黏剂，涂胶平均厚度3 mm。碳纤维板应分级张拉，左右两根张拉螺杆除伸长量差值应始终控制在2 mm以内，以保证碳纤维板受力均匀。安装扣压板按照“先两端、后中间”的原则，在扣压板顶面垫入薄橡胶板，使碳纤维板贴紧梁底。在梁底混凝土表面及封锚混凝土表面涂刷浅灰色聚氨酯防水涂料，涂层厚度不小于1.0 mm。

5 加固效果验证

在30 t轴重试验列车作用下，钢-混凝土结合梁跨中挠度最大值为1.46 mm（58.1 km/h），挠度动力系数最大值为1.13，结构校验系数为0.46，换算至1.2倍Z H（2010）[10]设计荷载下挠跨比为1/5 640，满足《铁路桥梁检定规范》的要求（参考钢筋混凝土梁竖向挠跨比通常值1/4 000）；在试验列车作用下，工字钢主梁跨中下翼缘应变最大值为167.2 με（58.1 km/h），结构校验系数为 0.79。在各类编组列车作用下，钢梁跨中内外侧应变、挠度基本相当，钢梁整体受力效果好。在试验列车作用下，梁体跨中横向振幅最大值为0.28 mm；运营货列重车作用下，梁体跨中横向振幅最大值为0.36mm。实测钢-混凝土结合梁跨中横向振幅均在《铁路桥梁检定规范》货列重车通常值（参考预应力混凝土梁）0.79 mm（v≤80 km/h）及安全限值 1.11 mm的范围内。钢-混凝土结合梁的理论计算和实测结果表明，30 t轴重试验车作用下，钢-混凝土结合梁受力正常，处于弹性工作状态，达到设计要求，能够满足30 t轴重重载列车开行要求。

6 结语

某低高度钢筋混凝土梁桥成功实施桥梁强化改造施工，钢-混凝土结合梁通过采用混凝土部分主要受压、钢梁受拉的方法，充分发挥了材料的特性，节约钢材的同时承载能力也大大提高。预应力碳纤维板加固有效利用了碳纤维的高强度，能够抑制构件的变形和裂缝的发展，提高了混凝土的收缩徐变性能。通过这次桥梁强化工程，解决了原桥梁受力状态与耐久性差的问题，使其能够满足线上开行30 t重载货车的使用要求，提高了运输效率。

参考文献：

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