鐵路簡支箱梁受損橋面板補(bǔ)強(qiáng)方案計(jì)算分析

葛凱 陳勝利 馬宏亮 楊心怡 辛榮亮

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.新長鐵路有限責(zé)任公司，南京 210005）

一鐵路特大橋由跨度24 m 的現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支梁組成，設(shè)計(jì)荷載為雙線ZK荷載［1］。梁體采用C50混凝土澆筑，配置HRB400與HPB300鋼筋。橋面軌道體系采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，底座板內(nèi)、外側(cè)分別厚14.7，31.8 cm，軌道板厚20 cm，自密實(shí)砂漿層厚9 cm。在施工期間，其中1 孔24 m 箱梁的橋面板意外受損，破損部位均位于曲線外側(cè)半幅，橋面板底面破損狀態(tài)見圖1。

圖1 橋面板底面破損狀態(tài)

1 補(bǔ)強(qiáng)方案

為保證箱梁頂板受損部位補(bǔ)強(qiáng)后能夠滿足運(yùn)營要求，擬采用增大截面加固法［2-7］對橋面板進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。具體措施為重新修補(bǔ)箱梁破損區(qū)域的橋面板，同時(shí)在箱內(nèi)頂板底面局部增設(shè)鋼筋混凝土橫梁，使增設(shè)橫梁與頂板形成整體，協(xié)同受力。橋面板修補(bǔ)與補(bǔ)強(qiáng)材料采用C50 自密實(shí)混凝土，補(bǔ)強(qiáng)橫梁厚度為20 cm，配置HRB400 鋼筋，采用植入鋼筋的方式與原頂板連接。補(bǔ)強(qiáng)橫梁內(nèi)縱橫向配筋率與橋面板內(nèi)配筋率相當(dāng)。受損箱梁新老混凝土接觸面積約40 m2，補(bǔ)強(qiáng)混凝土用量約10 m3。修補(bǔ)范圍包括A 區(qū)域和B 區(qū)域（A 區(qū)域頂板底面混凝土缺損厚度為5～20 cm，B區(qū)域頂板底面混凝土缺損厚度小于5 cm），表面鑿毛并增設(shè)混凝土橫梁的補(bǔ)強(qiáng)范圍包括A 區(qū)域、B 區(qū)域和周邊未受損的C區(qū)域，如圖2所示。圖3為受損箱梁橋面板修補(bǔ)與補(bǔ)強(qiáng)范圍截面示意。

圖2 受損箱梁頂板修補(bǔ)與補(bǔ)強(qiáng)范圍平面示意（單位：m）

圖3 受損箱梁橋面板修補(bǔ)與補(bǔ)強(qiáng)范圍截面示意（單位：m）

2 計(jì)算模型

梁體完好區(qū)域C50混凝土的彈性模量按設(shè)計(jì)值取值［8］；考慮到軌道結(jié)構(gòu)與箱梁頂板為先后澆筑，且界面連接鋼筋相對稀疏，將軌道結(jié)構(gòu)混凝土（軌道板為C60，自密實(shí)混凝土層和底座板為C40）的計(jì)算彈性模量按設(shè)計(jì)值的1/2 取值以模擬剛度折減；考慮到混凝土現(xiàn)場灌注施工的質(zhì)量控制相對困難，保守起見認(rèn)為橋面板修補(bǔ)區(qū)域和補(bǔ)強(qiáng)橫梁混凝土材料的性能有所降低，其彈性模量按設(shè)計(jì)值的1/2取值以模擬剛度折減［9］。

以跨度24 m 的受損箱梁為計(jì)算對象，對比分析完好箱梁和補(bǔ)強(qiáng)箱梁的橋面板應(yīng)力狀態(tài)與豎向變形，以此評估補(bǔ)強(qiáng)效果。ZK 特種荷載作用于受損箱梁頂板破損范圍的平面示意如圖4。箱梁橋面無砟軌道分別考慮ZK 特種荷載的單線作用和雙線作用，每處集中荷載值為ZK 特種荷載單軸重的1/2 即125 kN，荷載縱向間距為1.6 m，橫向間距為1.435 m，受損側(cè)半幅4 個(gè)輪位均作用于橋面板破損區(qū)。同時(shí)計(jì)入橋面板補(bǔ)強(qiáng)橫梁混凝土的自重，重度取26 kN/m3。

圖4 ZK特種荷載作用于受損箱梁頂板破損范圍平面示意（長度單位：m）

采用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行實(shí)體建模，模擬箱梁、無砟軌道結(jié)構(gòu)和鋼軌，ZK 特種荷載作用于鋼軌之上，再通過無砟軌道結(jié)構(gòu)傳遞至梁體。有限元計(jì)算模型如圖5所示。底座板、軌道板、自密實(shí)混凝土層縱向均按設(shè)計(jì)要求設(shè)置斷縫，軌道結(jié)構(gòu)與箱梁橋面板單元共節(jié)點(diǎn)。梁體底面邊界條件近似模擬梁體實(shí)際支承和約束狀態(tài)。

圖5 有限元計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

截面應(yīng)變與應(yīng)力提取位置如圖6 所示，圓圈標(biāo)記處為截面S（參見圖4，距小里程側(cè)梁端10 m）頂板底面和補(bǔ)強(qiáng)橫梁底面撓度與應(yīng)力的提取位置。有限元模型的x坐標(biāo)零點(diǎn)位于小里程側(cè)梁端截面，x軸方向?yàn)榭v橋向，從小里程側(cè)指向大里程側(cè)為正方向；y軸方向?yàn)闄M橋向，零點(diǎn)位于截面對稱軸處，從零點(diǎn)指向修補(bǔ)側(cè)（曲線外側(cè)）為正方向；z軸方向?yàn)樨Q向，豎直向下為正方向。

圖6 截面應(yīng)變與應(yīng)力提取位置示意

表1 為完好箱梁截面S 頂板底面荷載效應(yīng)計(jì)算結(jié)果，可知單線荷載工況下箱梁頂板最大橫向拉應(yīng)力及最大第一主應(yīng)力較雙線荷載工況更大，因此針對完好箱梁和補(bǔ)強(qiáng)箱梁計(jì)算結(jié)果的對比分析均基于單線荷載工況。補(bǔ)強(qiáng)箱梁截面S頂板補(bǔ)強(qiáng)橫梁底面單線荷載效應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表2。表1、表2 中應(yīng)力正值表示拉應(yīng)力，撓度正值表示向下變形。

表1 完好箱梁截面S頂板底面荷載效應(yīng)

表2 補(bǔ)強(qiáng)箱梁截面S頂板補(bǔ)強(qiáng)橫梁底面單線荷載效應(yīng)

單線荷載工況下完好箱梁和補(bǔ)強(qiáng)箱梁截面S的橫向應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 單線荷載工況下箱梁截面S橫向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.2 對比分析

由表1、表2 中的計(jì)算結(jié)果繪制箱梁截面S 受損側(cè)半幅頂板（補(bǔ)強(qiáng)橫梁）底面的豎向撓度分布曲線和橫向應(yīng)力分布曲線，見圖8、圖9。

根據(jù)完好箱梁和補(bǔ)強(qiáng)箱梁的有限元計(jì)算結(jié)果，可知：

圖8 箱梁頂板（補(bǔ)強(qiáng)橫梁）底面豎向撓度分布曲線

圖9 箱梁頂板（補(bǔ)強(qiáng)橫梁）底面橫向應(yīng)力分布曲線

1）在單線荷載作用下，完好箱梁截面S 頂板最大豎向撓度為1.24 mm；在單線荷載作用下，補(bǔ)強(qiáng)箱梁截面S 頂板補(bǔ)強(qiáng)橫梁最大豎向撓度為1.15 mm，計(jì)入補(bǔ)強(qiáng)橫梁自重后最大豎向撓度為1.30 mm，豎向撓度與完好箱梁基本相當(dāng)。

2）在單線荷載作用下，完好箱梁截面S 頂板底面的最大橫向拉應(yīng)力為1.84 MPa，最大主拉應(yīng)力為1.85 MPa；在單線荷載作用下，補(bǔ)強(qiáng)箱梁截面S頂板補(bǔ)強(qiáng)橫梁底面最大橫向拉應(yīng)力為1.12 MPa，最大主拉應(yīng)力為1.13 MPa，應(yīng)力水平低于完好箱梁頂板底面，且橫橋向分布較完好箱梁更加均勻。

4 結(jié)論

在單線ZK 特殊荷載作用下，考慮受損箱梁混凝土橋面板修補(bǔ)區(qū)域和補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的剛度折減后，補(bǔ)強(qiáng)箱梁橋面板豎向撓度與完好箱梁基本相當(dāng)且分布更加均勻；箱梁補(bǔ)強(qiáng)橫梁底面最大橫向應(yīng)力小于完好箱梁橋面板底面最大橫向應(yīng)力?？芍軗p箱梁橋面板補(bǔ)強(qiáng)后的剛度略大于完好箱梁，橋面板補(bǔ)強(qiáng)措施效果顯著，受損箱梁補(bǔ)強(qiáng)后的力學(xué)性能滿足運(yùn)營要求。