铁路32mT梁撞击损伤修复研究

郭 擎

(武汉铁路桥梁职业学院,武汉 430050)

近年来,我国车辆撞击桥梁结构事故频发,严重威 胁桥梁安全[1]。已有许多学者对桥梁损伤修复进行相关研究,陆新征等研究桥梁上部结构在超高车辆撞击下的破坏模式,并提出基于简化半正弦撞击力时程的分析方法[2];李强介绍如何针对不同桥梁结构形式及病害状况选择有效的加固方案[3];胡所亭等基于混凝土箱梁底板损伤仿真分析结果,提出采用移动模架支撑主梁后修复受损区域,采用放松已张拉预应力束并重新张拉的加固方案[4];陈军民在基于桥梁维修加固基本原则的基础上,总结拱桥的几种病害并给出了加固方案[5];杜刚分析铁路桥梁改造加固的设计与方法[6]。不难看出,以往研究较少涉及车辆撞击桥梁造成的损伤修复。

以下依托某32m跨预应力混凝土T梁被车辆撞击损伤后的修复处治工程,结合有限元分析,对其加固方案进行深入研究。

1 工程概况

某铁跨公既有线桥梁全长45.6m,主跨采用1跨32.6m预应力钢筋混凝土低高度T形梁,桥台为耳墙式,基础类型为钻孔桩,承台顶至基底24.5m,支座类型为摇轴支座,桥下净高5.1m。建成时间为2001年。

T形梁高2.0m,主梁顶宽3.9m。梁体采用C55混凝土,纵向预应力钢束为9φ15.2mm钢绞线,公称直径为15mm,公称抗拉强度为1600MPa。2005年,为改善梁体动力性能进行横向加固,通过增设横向预应力将双T梁连接为整体[7-8],桥位和结构横断面见图1、图2。

图1 桥位示意

图2 T梁结构横断面示意(单位:cm)

2015年7月,一辆大型翻斗车撞击该桥主梁,导致T梁跨中处外侧翼缘板损伤较大(见图3),而T梁腹板及底板基本未受到影响。T梁翼缘板混凝土被撞击后局部破碎,其相邻部位混凝土开裂,已无法继续发挥承重作用,且破损混凝土随时有坠落可能。根据桥梁病害检测结果,T梁外侧翼缘板的损伤范围沿纵向总长4.5m,为跨中以东1.9m至以西2.6m段。

图3 T梁被撞击后损伤照片

2 总体抢险方案比选

针对桥梁被车辆撞击后产生的病害状况,提出两种抢险方案:方案一为更换整跨受损主梁;方案二为针对受损部位进行局部加固处理。

2.1 换梁

将受损的整孔梁进行更换,此方案能够完全解决问题,效果最好,但也存在许多缺点。首先,本项目设计于20世纪90年代,采用的是低高度T梁,这种梁目前已经弃用,如果浇筑新梁,必须重新制作模板,耗时长且费用高。另外,该桥受损区域只有6m,全部更换非常不经济,且占用铁路天窗口较多。

2.2 对破损翼缘进行拆除后重新浇筑

仅针对破损范围进行处理,根据现场破损状况,按锯齿形凿除单侧或双侧翼缘板、挡砟墙,然后再按原样恢复。该方案新旧混凝土的结合处理是本项目的技术难点,对设计、施工的要求都很高;而且,采用该方案施工时不能妨碍桥下道路的通行,对施工组织要求较高。但此方案有显著优点:①该方案仅针对破损范围,工程量较小,非常经济;②需要的工期较短,占用铁路天窗口较少,对既有线影响小。

2.3 方案比选

本项目抢险方案比选结果如表1所示。

表1 抢险方案比较

续表1

综上所述,方案二经济性好、对工期要求和既有线的影响都较小,故选择方案二为本项目实施方案。

3 加固设计方案研究

桥梁加固设计原则:主梁加固应具有针对性且尽量减小对未受损构件的附加损伤,加固范围应根据原桥施工图及事故损伤调查结果进行确定,并经现场核对。桥梁加固后结构安全性、耐久性应满足规范要求。加固设计应重点考虑新旧混凝土的结合性能[9]。

3.1 加固设计方案

(1)损伤翼缘板拆除及重新浇筑

T梁翼缘板拆除范围为主梁跨中两侧各3m。其中,跨中以东0.4m处至2.5m范围内拆除整块翼缘板;其他区域拆除T梁外侧翼缘板,并将内侧翼缘板顶面往下凿除5cm,并将其凿毛,凿毛面积需达到90%以上[10]。损伤翼缘板维修处治方案如图4～图6所示。

图4 整块翼缘板凿除示意

图5 外侧翼缘板凿除示意

图6 翼缘板凿除平面示意(单位:cm)

拆除T梁整块翼缘板,重新设置翼缘板横向钢筋及纵向钢筋,并与原腹板竖向钢筋连接为整体骨架。钢筋绑扎完毕后,重新浇筑翼缘板混凝土。为增强新浇筑翼缘板与原有腹板之间纵向水平抗剪性能,与腹板原竖向钢筋间隔布置。拆除T梁外侧翼缘板,重新设置翼缘板外侧横向钢筋及纵向钢筋。凿除外侧翼缘板混凝土,保留20cm横向钢筋,设置横向钢筋与原钢筋搭接焊。结合面采用混凝土复合界面剂,并浇筑C60微膨胀混凝土。

(2)增设混凝土横向加劲板

为改善整块新浇筑翼缘板横向受力状态,在T梁跨中以东2m处腹板内外侧各增设1道混凝土横向加劲板[11]。新增加劲板板厚20cm,宽36cm,通过横向植筋与原腹板连接为整体,植筋直径为12mm,通穿腹板。新增加劲板竖向钢筋与新浇筑翼缘板横向钢筋绑扎为骨架,并整体浇筑。主梁增设横向加劲板方案如图7所示。

图7 主梁增设横向加劲板示意(单位:cm)

(3)道砟墙拆除及重新浇筑

拆除跨中两侧各3m范围内道砟墙,重新布置墙体箍筋及纵向钢筋,维修处治方案如图8所示。新设纵筋与保留墙体纵向钢筋焊接为整体,新设道砟墙与新设翼缘板混凝土整体浇筑。

图8 道砟墙拆除重新浇筑示意

(4)临时顶升措施

在钢筋绑扎完成后顶升梁体,通过计算,顶升力确定为100kN,使上翼缘板的压应力减少;浇筑混凝土后,千斤顶卸载,主梁恢复正常受力状态[12]。顶升支架系统采用钢管墩结构,在主梁跨中处沿纵向设置2根钢管墩柱,主梁临时顶升措施方案如图9所示。

图9 主梁临时顶升方案示意(单位:cm)

(5)粘贴碳纤维布

为了增强新浇筑翼缘板的横向抗弯强度和抑制裂缝,在主梁跨中两侧各3m范围内翼缘板顶面,粘贴纵、横向碳纤维布各一层。

(6)防腐涂装

为提升桥梁整体景观和构件防护的需要,对主梁翼缘板底面、腹板侧面及底板底面进行涂装。该涂装不仅起装饰美化的作用,还可以阻止混凝土的风蚀、碳化,该涂层体系防腐年限为20年。

3.2 加固结构分析

采用桥梁专业有限元分析软件Midas Civil,对单片T梁进行结构分析,模拟主梁原设计状态、损伤状态及加固后状态,通过施工阶段联合截面分析功能模拟跨中附近范围翼缘板的凿除及重新浇筑,对施工阶段及运营阶段主梁结构安全性进行验算(见图10、图11)。此外,采用大型通用有限元分析软件ANSYS对计算结果进行校核。

图10 结构有限元计算模型

图11 损伤状态跨中截面(单位:mm)

桥梁结构分析分别按以下两个状态进行。

①加固前损伤状态

按“恒载(包括未损伤部位桥面二恒)+预应力”荷载工况进行施工阶段验算,此阶段在不运行列车的情形下清除损伤部位桥面二恒。对比原设计该工况下计算结果。

②加固后状态

此阶段恢复补强损坏侧翼缘板后,原主梁最不利应力状态按现有损伤截面承受“恒载(包括未损伤部位桥面二恒)+预应力”与恢复截面承受“损伤部位桥面二恒+活载”两项叠加而得;新浇筑翼缘板最不利应力状态按恢复截面承受“损伤部位桥面二恒+活载”而得[13]。

(1)主梁加固验算

主梁跨中截面承载能力验算结果见表2。

表2 主梁跨中截面承载能力验算结果对比

由表2可知,加固前,损伤强度安全系数K=2.79>2.0;加固后,跨中截面强度安全系数K=2.81>2.0。即使在损伤状态下,主梁正截面抗弯强度仍满足规范要求。

加固后主力工况下主梁跨中正应力值对比见表3。

表3 加固后主力工况下主梁跨中正应力值对比MPa

由表3可知,加固后主力组合作用下,凿除1/2翼缘板后,原主梁混凝土最大压应力为19.7MPa;凿除全部翼缘板后,原主梁混凝土最大压应力为20.5 MPa,新浇筑翼缘板混凝土最大压应力为14.9MPa,均不出现拉应力。加固后凿除1/2翼缘板范围内主梁混凝土及新浇筑翼缘板混凝土最大压应力小于19.25 MPa,满足规范要求;而凿除全部翼缘板范围内主梁混凝土最大压应力略大于规范限值。

(2)采用临时顶升措施后主梁验算

对比未采用顶升措施与采用顶升措施梁体跨中正截面应力,结果见表4。

表4 顶升对T梁跨中正截面应力的影响 MPa

由表4可知,未采用顶升措施梁体上缘正截面应力最大值超过了规范限值,采用该措施后,正截面应力最大减少1.2MPa,满足规范限值。

(3)新老混凝土结合面抗剪验算

依据公路桥梁加固设计规范[14],有

其中,结合面每延米承受的剪力vd=16.0kN/m;截面计算高度h0=263mm;混凝土fcd=22.4MPa;加固后结合面钢筋采用φ12mm HRB400钢筋,间距为100mm,则有

新老结合面抗剪计算结果见表5。

表5 新老结合面抗剪计算 kN/m

由表5可知,新老混凝土结合面抗剪承载力满足规范要求。

4 抢险加固施工

本桥抢险加固实际总工期约为15d,主要工程内容包括:清除桥面系、拆除受损翼缘板、布设普通钢筋及植筋、顶升主梁、翼缘板及横向加劲板混凝土浇筑、混凝土达到设计强度后千斤顶卸载、粘贴碳纤维布、恢复桥面系以及涂抹防腐涂装等。本项目抢险加固施工取得经验如下。

(1)对于上跨公路交通要道的既有线桥梁进行抢修加固,并采用支架法进行施工时,需重点加强道路封闭、交通疏导及警示等工作,以避免过往车辆撞击支架系统。

(2)对C60高强度微膨胀混凝土配合比应进行优化设计,以改善其和易性。

(3)临时顶升系统必须保持稳定加载,以保证梁体应力调幅效果。

5 加固后桥梁检定评估

桥梁加固施工结束后进行检测评估,采用两辆DF4机车联挂进行静载试验和相关速度的动载试验,根据试验数据分析,得出如下结论。

(1)伤损截面下翼缘活载拉应力、上翼缘活载压应力均小于相应的计算值,表明伤损桥梁修复后受力满足修复加固设计要求。伤损梁片跨中竖向挠跨比小于规范相应通常值要求,表明伤损梁体修复加固后的竖向刚度满足规范要求[15]。

(2)在桥上列车较低速度运行条件下,所测伤损梁和左片梁(对比)横向振幅、横向振动加速度、横向自振频率及竖向振动加速度、竖向自振频率均满足要求。从左右两片梁相应横竖向刚度指标比较未发现明显差异,表明伤损梁体修复后与未受损梁刚度指标接近。

6 结语

铁路既有线简支T梁受到失速车辆撞击后,当仅受压区翼缘板损伤而未致受拉区预应力筋折断时,可采用拆除受损翼缘板并重新浇筑的加固方案进行抢险修复。相较于采用整孔换梁的方案,该加固方案减少上翼缘压应力1.2MPa,经济性好、技术难度小、工期短、对既有线的影响较小。根据加固后桥梁检测结果,该桥采用主动与被动相结合的措施加固后梁体受力状态满足规范要求,运营5年无病害出现。该加固方法可为同类桥梁事故抢险提供借鉴。