基于Midas civil的重载铁路简支T梁体外预应力加固研究①

□□ 唐宇哲 (湖南高速铁路职业技术学院,湖南 衡阳 421200)

引言

如今,我国在运营的混凝土铁路桥梁已经达到13万座之多,在偏远山区及地形不利等地区发挥着举足轻重的作用[1]。然而,早期铁路桥梁建设时,受当时经济的影响,加上铁路桥梁检定标准和设计规范经历了多次修订,导致部分桥梁建设标准不一[2]。通过长达几十年的运营,部分铁路桥梁在耐久性能和承载能力上出现了各种各样的问题,迫使列车通过桥梁时需限速或者限重,这一现象对铁路运营产生了不小的影响。在如今铁路“提速、重载”的大环境下,这些“问题”桥梁显然是背道而驰的,随着今后列车的进一步提速和轴重进一步增加,部分问题桥梁将无法在铁路运营中发挥其应有的作用。

基于此,为了适应铁路大环境需要,必须让每座桥梁发挥其应有的作用。若每座桥梁都推倒重建,势必会对当地经济造成不利影响,并且会影响交通运行,同时给国家带来不必要的经济损失。所以,从经济和环保角度考虑,必须对既有铁路桥梁性能状态进行评估,进而决定是否进行推倒重建,或者是在既有铁路桥梁基础上进行加固处理,延长其桥梁使用寿命,合理地解决该问题[3]。

1 工程概况

衡阳市某梁式桥于1986年7月开工,同年12月运营,桥梁全长为48 m,为三跨简支普通钢筋混凝土T梁,跨径组合为3×16 m。其主梁图号为叁标桥1023-32,桥梁横截面尺寸如图1所示。

图1 衡阳市某梁式桥截面尺寸图(单位:mm)

通过查阅该桥梁建成资料,设计梁体采用300号混凝土,选用标准为TJ 10—74《钢筋混凝土结构设计规范》,后续为GBJ 10—89《混凝土结构设计规范》,取消了混凝土标号强度命名,改用混凝土强度等级来定义混凝土强度并沿用至今,在该规范中对原规范混凝土标号与现规范混凝土强度等级的换算进行了说明[4]。按照如今的混凝土强度等级定义,300号混凝土强度理论值在C25～C30之间。

通过回弹法对该桥进行梁体强度测试,并选择适当区域进行碳化深度测量,查阅JGJ 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》求得该桥梁现役混凝土强度为C25,梁体在长期运营后,混凝土强度降低,低于混凝土初期设计强度值。

2 建立有限元模型

2.1 梁体建模

因该桥梁为简支梁,故采用Midas civil对该桥梁中的一跨16 m进行有限元建模,全桥共建立33个节点,32个单元,桥梁有限元模型如图2所示,材料主要性能参数见表1。

表1 材料特性值汇总表

图2 有限元模型

2.2 重载列车荷载状况

列车活载图示是如今铁路施工设计的参考标准,也是铁路桥梁设计过程中的核心数据。从1975年开始,我国铁路桥梁设计荷载经历了多次标准更新,1975年后,我国铁路桥梁设计规范中均采用中-活载[5],如图3所示。

图3 中-活载荷载及特种荷载

如今,我国重载铁路荷载主要有C64(轴重21 t)、C70(轴重23 t)、C80(轴重25 t)、以及KM98(轴重30 t)四种形式,列车详细参数见表2。

表2 我国重载铁路列车参数

2.3 加固方案设计

拟采用的体外预应力加固法为折线型布置,通过调整转向位置和预应力筋弯曲位置、高度,使外荷载产生的内力与预应力筋产生的内力相抵消,从而起到加固卸载的效果[6]。所以,体外预应力筋外形应尽量与外弯矩图一致,布置如图4所示。

图4 体外预应力筋折线布置

在T梁下翼缘两侧分别布置单根通长1860钢绞线作为体外预应力对其进行加固处理,暂不设置转向块。因体外索与原结构之间属于无粘结状态,后续使用过程中出现的预应力损失可能会导致预应力产生的内力与外荷载产生的内力无法抵消,对最终加固效果会产生不利影响,可参照JGJ 92—2004《粘结预应力混凝土结构技术规程》中的体外筋来计算[7]。

梁肋部施加体外预应力束,钢束线性圆曲线半径为12 m。钢绞线技术条件必须符合高强度低松弛270级钢绞线标准强度的要求。其中,张拉控制应力为855.6 MPa,弹性模量Ey为1.95×105MPa;初始荷载为70%持续1 000 h的松弛值≤2.5%,单根面积A为140 mm2,加固后钢束最大应力为1 028.1 MPa。预应力钢筋材料性能见表3。

表3 预应力钢筋材料性能

3 加固前验算

3.1 静力分析

3.1.1剪力与弯矩

通过有限元软件,以该桥第一跨为例,分析出不同轴重时列车荷载作用下该跨桥梁不同截面处剪力与弯矩,输出数据见表4和表5。

表4 不同轴重列车作用下桥梁截面弯矩 kN·m

表5 不同轴重列车作用下桥梁截面剪力 kN

结合表4及表5可知,在重载运输状态下,铁路桥梁主梁内力会产生较大幅度的变化。如今重载列车的普及和列车通过频次增多,对于需要通过密集型重载列车的桥梁必须加强其桥梁状态的检查,保证其结构健康状态,桥墩和跨中部位应注意其病害情况。

3.1.2静挠度

桥梁静挠度指数对于桥梁结构稳定至关重要,如果铁路桥梁在正常荷载作用状态下静挠度过大,则说明该桥刚度不足,继而无法保证桥梁结构稳定以及铁路行车安全。利用有限元软件分析,在C64(轴重21 t)、C70(轴重23 t)、C80(轴重25 t)以及KM98(轴重30 t)作用状态下,竖向静挠度示意图如图5所示。

图5 不同轴重列车荷载作用下竖向挠度

由图5可知,随着列车轴重不断增加,跨中竖向挠度不断增大。TB 10002—2017《铁路桥涵设计基本规范》[8]中对铁路梁桥竖向挠度规定,当重载铁路跨度范围为40 m

3.2 动力分析

列车荷载利用节点动荷载进行模拟。正常状态下,重载铁路列车运营速度一般为60～75 km·h-1,故模拟速度为60 km·h-1、65 km·h-1、70 km·h-1与75 km·h-1四种工况。

节点动荷载大小根据不同列车轴重来设置,Z方向模拟该轴重列车的竖向荷载,Y方向模拟该轴重列车的横向作用力。根据有关规定,采取列车竖向荷载的1/3作为其对于铁路桥梁横向作用力。动力分析时,简化列车荷载如图6所示。

图6 列车荷载简化示意图

时程分析则需先建立模型,得到各种模型数据,运用特性值分析从而达到控制数据,继而创建时程荷载工况和时程荷载函数,将节点动荷载输入,运用结构动力分析,得到竖向动挠度与跨中横向加速度曲线。其中,时程函数如图7所示。

图7 时程函数图

利用有限元软件模拟在C64(轴重21 t)、C70(轴重23 t)、C80(轴重25 t)以及KM98(轴重30 t)列车荷载作用下的四种不同工况,输出该桥梁最大动挠度数值,从而得出竖向动挠度与列车速度的关系,结果如图8所示。

图8 不同轴重列车不同工况时最大竖向动挠度

由图8可知,在同一轴重列车荷载作用下,速度越大,桥梁竖向动挠度越大。当列车处于60～70 km·h-1时,该桥竖向动挠度随着速度增长微微增大;当列车速度到达75 km·h-1时,竖向动挠度相比低速时会显著变大。以C64(轴重21 t)列车为速度75 km·h-1的工况为例,通过桥梁跨中挠度时程曲线如图9所示。

图9 C64(轴重21 t)列车以75 km·h-1通过时挠度时程曲线

可见列车轴重、速度与桥梁跨中动挠度息息相关。当重载列车到达桥梁相同位置,轴重越大或速度越快,跨中动挠度则越大;当运行至铁路桥梁跨中时,跨中动挠度增值达到最大。

4 加固后验算

在桥梁有限元模型基础上进行加固设计,加固后有限元模型如图10所示,截面钢筋布置如图11所示。

图10 16 mT梁加固后模型

图11 钢束预应力布置

4.1 静力分析

加固后,静力荷载与加固前相同,包括结构自身自重与二期恒载,活载为C64(轴重21 t)、C70(轴重23 t)、C80(轴重25 t)以及KM98(轴重30 t)列车作用。

4.1.1剪力与弯矩

利用civil输出加固后桥梁不同轴重列车在相同工况条件下荷载效应值,并将其与加固前荷载效应值作对比,结果见表6和表7。

表6 加固前后桥梁截面弯矩对比 kN·m

表7 加固前后桥梁截面剪力对比 kN

结合表6及表7可知,通过在梁肋部施加体外预应力束,可明显改善铁路桥梁跨中部位弯矩作用力,桥梁整体性能提高,桥梁富余度增加,让受力结果更加保守。但对其支座处剪力作用力影响作用不大,如需改善要通过增大截面或其他加固方法。

4.1.2静挠度

利用有限元软件分析,在C64(轴重21 t)、C70(轴重23 t)、C80(轴重25 t)以及KM98(轴重30 t)作用状态下,加固前后竖向静挠度对比如图12所示。

图12 加固前后竖向静挠度对比

该桥梁加固后,C64重载列车作用下,跨中竖向静挠度从6.826 mm下降至4.537 mm;C70重载列车作用下,跨中竖向静挠度从7.453 mm下降至5.157 mm;C80重载列车作用下,跨中竖向静挠度从8.486 mm下降至6.177 mm;在KM98重载列车作用下,跨中竖向静挠度从10.197 mm下降至7.866 mm。可见桥梁竖向刚度提高,加固效果明显。

4.2 动力分析

模型加固后,利用有限元软件模拟C64(轴重21 t)、C70(轴重23 t)、C80(轴重25 t)以及KM98(轴重30 t)列车荷载作用下,处于运营速度为60 km·h-1、65 km·h-1、70 km·h-1与75 km·h-1四种工况时该桥梁的最大动挠度数值,并与加固前进行对比,如图13所示。

图13 加固前后动向静挠度对比

由图13可知,加固后,该桥梁竖向动挠度不同轴重的不同速度工况下都有了显著减小,桥梁竖向刚度明显增加,说明加固效果良好。

5 结论

体外预应力加固法是指将预应力钢筋布置在混凝土界面之外,产生预应力的结构体系,从而分担桥梁承受荷载,永久性提高桥梁承载力[9]。通过将该方法应用于重载铁路T梁加固,利用Midas civil有限元软件创建了16 m普通混凝土T梁桥,分析其静力状态与动力状态下桥梁的受力特征与受力情况,主要结论如下:

5.1 静力分析中,相同重载列车荷载作用下,弯矩改善效果明显,但该方法对支座处受剪力影响不大,竖向静挠度平均降低了1.5 mm。

5.2 动力分析中,竖向动挠度平均降低了1 mm,横向加速度均有所下降,安全容量值大大提高。证明使用该方法对该桥梁竖向和横向刚度都有所改善,且加固效果良好。