六四式铁路军用梁预应力加固影响因素分析

马 遥，陈士通，赵 曼，李 锋

(1.石家庄铁道大学 河北省交通应急保障工程技术研究中心，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

近年来，我国铁路正向着“客运高速、货运重载”的方向不断发展，列车轴重和运营速度的增大对桥梁的承载能力提出了更高的要求[1-3]。六四式铁路军用梁(以下简称“六四梁”)作为一种铁路抢修钢桥器材，具有结构轻便、构造简单和架设迅速的特点，是我国用于战争和自然灾害发生后桥梁抢修的主力梁型。但六四梁设计年代较为久远(于1964年设计定型)，设计荷载等级较低，已难以满足当前高速、重载铁路的抢修要求[4]。因此，对六四梁进行加固以提高其承载能力已成为亟待解决的问题。

采用体外预应力束加固桥梁是已成熟的一种简便、高效和经济的加固方式。它将高强度钢绞线作为预应力的载体，通过预应力产生的反弯矩抵消外荷载产生的内力，从而提高结构的承载能力[5-8]。目前，预应力加固技术在工程加固领域应用广泛，并取得了良好的效果[9-11]。该技术同样适用于六四梁的加固，但加固效果可能因工况变化导致一定的差异。为使预应力技术适应不同工况下的六四梁加固需求，有必要对影响加固效果的因素进行分析，探究其影响规律以确保六四梁的应急使用。

本文以32 m跨度的双层六四梁为研究对象，采用设有撑杆的折线形加固方案，从钢梁的受力状况和竖向挠度2个方面，分析预应力、荷载、撑杆长度对加固效果的影响，并探究其内在变化规律。

1 加固方案与模型建立

六四梁的体外预应力加固可以采用多种布索方式，直接布索(不设撑杆)的加固方式对六四梁承载能力的提升效果有限，故本文采用双撑杆的折线形布索方式进行研究。

根据六四梁承受竖向荷载时的受力特点，可将预应力索置于钢梁下侧，使预应力产生的反弯矩抵消部分外荷载产生的内力。为了最大程度地约束钢梁下挠，将撑杆对称设置于钢梁下侧距跨中1 m处，撑杆长度设为0.5 m[12]。预应力索连接撑杆且锚固于钢梁两端，如图1所示。

注：细实线表示钢梁，粗实线表示撑杆，虚线表示预应力索。

双层式六四梁主要构件包括标准三角、端构架和撑杆，各构件为全焊结构，采用销接组装。本文以32 m 跨双层六四梁为对象，根据六四梁结构受力特点，假定各片主梁均匀承载，故使用ANSYS建立单片模型。建模过程中采用梁单元模拟钢梁，杆单元模拟预应力索。将预应力索与钢梁和撑杆的连接视为铰接，不考虑实际锚固装置和转向装置的影响。

荷载工况考虑自重+列车荷载作用，列车荷载采用中—活载(2005)ZH标准，荷载系数取为1.2，并按最不利工况进行加载。六四梁组成按6片主桁考虑，此处取荷载的1/6施加在模型上。分析时采用工程中常用的φ15.24 mm钢绞线作为预应力索，张拉控制应力取 1 000 MPa，则初始预应力为182.41 kN。采用初始应变法对预应力索施加预应力，通过改变索的数量来施加不同大小的预应力。为探究各影响因素对加固效果的影响规律，整个分析过程仅在材料线弹性范围内进行。

2 未加固钢梁受力状况和竖向挠度分析

由有限元分析可知，自重和列车荷载作用下未加固钢梁中各杆件的受力状况见表1。此外，钢梁跨中竖向挠度为80.248 mm，超过相关规范要求的限值。

表1 未加固钢梁的受力状况

由表1可以看出，作为主要承载杆件的上、下弦杆的应力水平很高，且接近容许应力，其最大正应力位于靠近跨中的位置，对钢梁承载能力起控制作用。受支座反力的影响，端部的斜拉杆和端压杆也具有较高的应力水平，对结构安全的影响明显。钢梁中其余杆件的应力较小，具有较大的安全储备。因此，加固方案提升钢梁承载能力的关键在于改善弦杆的受力状况和降低端部杆件的应力水平。

3 影响因素对加固效果的影响分析

加固方案在不同工况下的加固效果可能存在差异，本文对可能影响加固效果的预应力、荷载及撑杆长度3种因素进行分析，探究其对加固效果影响的一般规律，为加固方案的优化提供依据。

六四梁为拼装式结构，各构件可互换安装，故跨中上、下弦杆受力及竖向挠度是判定六四梁结构是否安全的主要控制因素，以图1所示加固方案为研究对象，以跨中弦杆应力和竖向挠度为评判指标分析各影响因素对加固效果的影响。

3.1 预应力对加固效果的影响

为确定合理的预应力施加值，以图1所示六四梁结构为对象，提取不同预应力作用下，上、下弦杆最大正应力和跨中竖向挠度进行分析，结果如表2所示。

表2 预应力对加固效果的影响

分析表2可知：①随着预应力的增大，加固方案中弦杆应力和竖向挠度均呈下降趋势，即可通过增大预应力不断提升加固效果。但随着预应力的增大，弦杆应力和竖向挠度的下降速率也呈现下降趋势，工程应用时应予以注意。②加固方案对下弦杆应力的影响明显大于上弦杆，这种不协调性可能导致加固时上弦杆应力水平处在较高的情况下，而下弦杆已进入受压状态，严重时可能出现失稳现象，故加固实施时应综合考虑上、下弦杆的应力变化，以确定加固所需的预应力大小。

3.2 荷载对加固效果的影响

本文采用6片主桁的六四梁和特定列车荷载进行分析，而实际抢修时，不同的六四梁拼组和荷载工况可能导致结构所受荷载的变化。此外，在我国铁路高速、重载的发展趋势下，列车荷载仍有提升的可能。因此，有必要研究荷载变化对加固效果的影响。列车荷载提升0～20%时，弦杆应力和跨中竖向挠度的变化，分别如表3和表4所示。

表3 弦杆最大正应力随荷载的变化 MPa

表4 跨中竖向挠度随荷载的变化 mm

由表3和表4可知，①荷载的变化对弦杆应力和跨中竖向挠度的影响明显。②不同荷载等级下，弦杆应力和竖向挠度随预应力的变化趋势相近，故预应力对弦杆应力和竖向挠度的影响与荷载的关系较小。③随着预应力的增大，弦杆应力和竖向挠度随荷载的变化速率逐渐减小，这表明，此加固方案可以减小荷载提升对弦杆应力和竖向挠度造成的不利影响。④随着荷载的提升，弦杆应力和竖向挠度随预应力的变化速率逐渐增大，由此可知，荷载越大该方案的加固效果越明显。

3.3 撑杆长度对加固效果的影响

加固方案通过在钢梁端部和撑杆位置施加预应力达到加固目的。预应力一定时，增大撑杆长度，可使作用在端部的有效预应力减小，作用在撑杆的有效预应力增大，从而对加固效果产生一定的影响。在模型中，预应力大小取547.2 kN，分析撑杆长度0.1～0.3 m以0.1 m为模数变化时对弦杆应力和跨中竖向挠度的影响，见表5。可知，随着撑杆长度的增大，上、下弦杆最大正应力和跨中竖向挠度逐渐减小，且平均降幅分别为1.72%，4.75%和2.41%，说明撑杆长度变化对下弦杆最大正应力的影响最为明显，跨中竖向挠度次之，对上弦杆最大正应力的影响较小。因此工程应用时应根据加固需求合理确定撑杆长度。

表5 不同撑杆长度对钢梁的影响

4 结论

本文以32 m跨双层六四梁为研究对象提出了设有撑杆的折线形加固方案，从弦杆应力和跨中竖向挠度2个方面分析了预应力、荷载和撑杆长度的变化对加固效果的影响，得出了以下结论：

1)设有撑杆的折线形加固方案可明显降低钢梁弦杆应力和竖向挠度，但随着预应力的增大，弦杆应力和竖向挠度的下降速率也随之减小。

2)不同荷载作用下，弦杆应力和竖向挠度均随预应力的增大呈现相似的下降趋势，但随着荷载的增大，其下降速率也逐渐增大。此外，预应力越大，弦杆应力和竖向挠度随荷载的变化速率越小。

3)预应力一定时，增大撑杆长度，可明显降低弦杆应力水平和跨中竖向挠度，其中对下弦杆最大正应力的影响最为明显，跨中竖向挠度次之，对上弦杆最大正应力的影响较小。

本文研究了常见的3种因素对加固效果的影响规律，对于实际抢修中确定加固方案和预应力大小具有一定意义。此外，文中的加固方案可改善弦杆的受力状况，但对端部杆件的影响有限，针对不足之处，可进一步加以研究，以探寻更优的解决方案。