預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固重載鐵路T梁的效果研究

許宏偉，武啟帆，劉永前，李 勇

(1.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050043)

引言

隨著對(duì)在役鐵路進(jìn)行擴(kuò)能改造,在役鐵路橋涵需要承受更大的常態(tài)化運(yùn)營的列車荷載[1-2]。但是,隨著使用年限增長、列車軸重及長度增大、運(yùn)營速度提高,在役鋼筋混凝土T梁有可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及承載力降低、撓度偏大和梁底開裂嚴(yán)重等問題,從而危及行車安全[3-5]。為使舊橋、病橋滿足正常通行要求,需要對(duì)在役鋼筋混凝土T梁橋進(jìn)行加固處理。

目前橋梁的抗彎加固方法主要有增加截面法、粘貼鋼板法、粘貼碳纖維布法以及施加體外預(yù)應(yīng)力法等[6-8]。其中體外預(yù)應(yīng)力加固法由于其出色的加固效果,從諸多加固方法中脫穎而出,通過在主梁外設(shè)置高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼束,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上的負(fù)彎矩,從而抵消部分因結(jié)構(gòu)自重及靜載產(chǎn)生的撓度,達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載能力、改善結(jié)構(gòu)抗裂性和耐久性的目的,但布置在主梁外的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼束又容易受到環(huán)境的影響而銹蝕[9-10]。此外,傳統(tǒng)的外部粘貼碳纖維加固技術(shù)對(duì)于材料本身的高強(qiáng)性能是無法充分發(fā)揮的,當(dāng)受彎構(gòu)件的鋼筋屈服后,碳纖維強(qiáng)度才能被有效地利用[11]。因此,預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固法應(yīng)運(yùn)而生,與傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力法相比,碳纖維板更容易與所加固梁體形成粘結(jié)加固,因其施工方便、質(zhì)量較輕、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受歡迎[12-14]。

目前,國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固混凝土受彎構(gòu)件的承載能力做了很多試驗(yàn)[15-17],但較少有對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固受彎構(gòu)件進(jìn)行系統(tǒng)研究,大多數(shù)集中在撓度試驗(yàn)方面,忽略了其應(yīng)力、裂縫寬度及變形能力研究[18-21]。為深入了解預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固對(duì)鋼筋混凝土T梁的加固效果,根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]對(duì)更換下來的兩片12 m鋼筋混凝土T梁(專橋(88)1 024)分別開展未加固與加固試驗(yàn),從而對(duì)在役12 m鋼筋混凝土T梁承擔(dān)當(dāng)前運(yùn)營列車荷載下的安全性能作出推演與評(píng)價(jià),進(jìn)而驗(yàn)證同類橋梁的使用安全性。由于預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固在重載鐵路橋梁改造中運(yùn)用較少,其加固效果仍需在大軸重鐵路橋的正常運(yùn)營下進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)以及深入研究,為今后工程應(yīng)用提供理論與技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)對(duì)象

1.1 T梁幾何尺寸與配筋

選取某重載鐵路上更換下來的一片12 m鋼筋混凝土T梁(專橋(88)1 024)作為試驗(yàn)對(duì)象,試驗(yàn)梁已運(yùn)營20年,全長12.5 m,梁高(含擋砟墻)1 150 mm,腹板寬1 100 mm,梁體采用350號(hào)混凝土(相當(dāng)于C33),縱筋及箍筋均采用T20MnSi鋼筋(相當(dāng)于HRB335),縱筋C25 mm,箍筋A(yù)8 mm,跨中截面配筋率為2.38%。試驗(yàn)T梁幾何尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 T梁幾何尺寸與配筋(單位:mm)

1.2 T梁病害現(xiàn)狀

此12 m鋼筋混凝土梁已經(jīng)存在裂縫寬度超限、混凝土劣化、鋼筋銹蝕等病害?？缰泻投瞬课恢镁嬖诨炷灵_裂現(xiàn)象,端部表現(xiàn)為斜裂縫。究其原因,由于該橋已正常使用近20年,當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)體系分析理論系統(tǒng)還不夠完善,濕接頭處縱向聯(lián)系以及抗剪能力較弱,在反復(fù)荷載作用下容易產(chǎn)生斜裂縫;跨中左右兩側(cè)各4 m范圍內(nèi)裂縫較多,表現(xiàn)為從梁底向梁頂延伸的U形裂縫,裂縫一直延伸至距離梁頂約25 cm處,裂縫寬度位于0.04～0.10 mm之間。其原因可能是由于當(dāng)時(shí)施工過程養(yǎng)護(hù)不足,同時(shí)在列車反復(fù)荷載作用下,腹板存在明顯側(cè)彎現(xiàn)象,從而導(dǎo)致腹板產(chǎn)生豎向裂縫。梁體鋼筋銹蝕主要位于與泄水孔對(duì)應(yīng)的梁體區(qū)域,且腐蝕區(qū)域的梁體側(cè)面和底面均存在保護(hù)層因銹脹剝落的跡象。試驗(yàn)T梁初始病害分布如圖2所示。

圖2 T梁初始病害分布

2 12 m鋼筋混凝土T梁適應(yīng)性分析

2.1 T梁內(nèi)力計(jì)算

為探究此類鐵路橋梁是否滿足現(xiàn)行鐵路運(yùn)輸要求,采用能代表日常交通狀況的荷載組合。經(jīng)調(diào)查,此重載鐵路主要運(yùn)營的列車類型為C80,占總運(yùn)量的70%以上,由于KM98列車軸重超過設(shè)計(jì)活載限值,因此此類列車運(yùn)營數(shù)量較少。列車軸重分布圖如圖3所示。

圖3 列車的軸重分布(軸距單位:m)

內(nèi)力計(jì)算主要考慮梁體自重(折算成29.56 kN/m均布荷載)、二期荷載(主要考慮道砟、軌道、枕木、人行踏板質(zhì)量,道砟按容重21.0 kN/m3計(jì)算,鋼軌按75軌計(jì)算,其計(jì)算均布荷載為0.7 kN/m,按Ⅱ型混凝土枕木計(jì)算,其荷載為2.3 kN/m,人行踏板按5.0 kN/m計(jì)算,綜合算得二期恒載折算均布荷載按26.8 kN/m施加)及列車荷載等在跨中產(chǎn)生的彎矩。內(nèi)力計(jì)算如表1所示。

表1 T梁內(nèi)力計(jì)算

2.2 原梁驗(yàn)算

對(duì)于在役鐵路橋梁,為驗(yàn)證其適應(yīng)性,需要按照設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此T梁進(jìn)行應(yīng)力、裂縫寬度及撓度驗(yàn)算。原梁驗(yàn)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 原梁驗(yàn)算結(jié)果

由圖4可以看出,通過對(duì)此鋼筋混凝土T梁的混凝土梁頂壓應(yīng)力、鋼筋拉應(yīng)力、裂縫及跨中撓度驗(yàn)算,表明在中-活載作用下,此T梁雖然能基本滿足運(yùn)營要求,但其梁體狀態(tài)較差,在KM98列車荷載作用下,其鋼筋應(yīng)力無法滿足規(guī)范相關(guān)限值,因此,需要對(duì)此T梁進(jìn)行加固改造。

3 原梁加固驗(yàn)算

為減小在役鋼筋混凝土T梁開裂,進(jìn)一步保證剛度不折減,同時(shí)改善梁內(nèi)混凝土和鋼筋的應(yīng)力水平,且為保證不影響線路正常運(yùn)行、不改變?cè)瓨蚪Y(jié)構(gòu)、施工方便,采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固。預(yù)應(yīng)力碳纖維板的尺寸為50 mm×3 mm,彈性模量為160 GPa,每根預(yù)應(yīng)力碳纖維板的張拉控制應(yīng)力σcon=1 500 MPa,經(jīng)計(jì)算,體外預(yù)應(yīng)力損失∑σLi=169 MPa。根據(jù)GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[23],分別計(jì)算了1～6塊預(yù)應(yīng)力碳纖維板對(duì)鋼筋混凝土T梁的加固效果。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同數(shù)量的預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固效果

根據(jù)GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]及TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[24],對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行加固后應(yīng)力、裂縫寬度及撓度驗(yàn)算,混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力碳纖維板應(yīng)力分別如圖5～圖7所示,裂縫寬度及撓度分別如圖8、圖9所示。

圖5 混凝土壓應(yīng)力的理論分析結(jié)果對(duì)比

由圖5可以看出,采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后,各荷載組合下的混凝土壓應(yīng)力均得到明顯下降,在最大荷載組合作用下,其混凝土壓應(yīng)力下降了19.6%。

由圖6可以看出,加固后的試驗(yàn)梁在恒載+中活載荷載組合作用下鋼筋拉應(yīng)力下降了45.87%,有較大安全儲(chǔ)備。其中,加固前試驗(yàn)梁在最大荷載組合作用下不符合規(guī)范要求的限值,加固后其鋼筋應(yīng)力下降了45.48%,這是由于加固后整體截面重心下移,從而導(dǎo)致梁底應(yīng)力和應(yīng)變減小。

圖6 鋼筋拉應(yīng)力的理論分析結(jié)果對(duì)比

由圖7可以看出,各荷載組合作用下,預(yù)應(yīng)力碳纖維板拉應(yīng)力均滿足規(guī)范規(guī)定的限值。

由圖8可以看出,采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后,此試驗(yàn)梁轉(zhuǎn)變成類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),整體裂縫寬度均得到明顯降低,延遲了構(gòu)件的開裂,抑制了裂縫的發(fā)展,其中最大荷載組合作用下裂縫寬度下降了40.91%。

圖8 裂縫寬度的理論分析結(jié)果對(duì)比

體外預(yù)應(yīng)力加固的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁,其彎矩與撓度的變化規(guī)律與部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁類似。在正常運(yùn)營狀態(tài)下,其跨中撓度驗(yàn)算等于活載彎矩產(chǎn)生的撓度及有效預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱疊加而成。由圖9可以看出,預(yù)應(yīng)力碳纖維板中有效預(yù)應(yīng)力對(duì)梁體產(chǎn)生一個(gè)反拱效果,進(jìn)而顯著減小了結(jié)構(gòu)變形,改善了結(jié)構(gòu)剛度,使得加固后的梁體跨中撓度均遠(yuǎn)低于規(guī)范規(guī)定的撓度限值。其中最大活載作用下跨中撓度下降了37.12%。

圖9 跨中撓度的理論分析結(jié)果對(duì)比

4 試驗(yàn)研究

4.1 加載機(jī)制

因橋梁承載能力較大且在露天場(chǎng)地進(jìn)行加載,需要特殊設(shè)計(jì)加載裝置,如圖10所示。加載反力架采用鋼構(gòu)件拼裝而成,支架兩端頂部設(shè)置上橫梁。利用原橋拆除下來的板式橡膠支座放置于梁端與下橫梁之間,真實(shí)模擬T梁的實(shí)際情況。上橫梁和下橫梁之間采用精軋螺紋鋼筋連接,支架和梁頂之間設(shè)置液壓千斤頂進(jìn)行加載,并在千斤頂和梁頂之間安裝壓力傳感器獲得真實(shí)壓力值。

圖10 試驗(yàn)加載方案示意

4.2 加固方法

考慮加固理論分析結(jié)果以及鋼筋混凝土T梁底部所需的錨固和張拉空間,最終選擇了5塊預(yù)應(yīng)力碳纖維板來加固T梁,如圖11所示。加固施工過程如下:首先,用打磨機(jī)將梁底松散風(fēng)化的表層混凝土打磨平整,保證預(yù)應(yīng)力碳纖維板與試驗(yàn)梁的粘結(jié)牢靠,以形成穩(wěn)定持久的粘結(jié)面;接著,對(duì)梁底鋼筋位置進(jìn)行檢測(cè)并標(biāo)記,選取合適的位置鉆孔并安裝錨桿,錨桿上安裝錨桿支護(hù);然后,將錨固支座同預(yù)應(yīng)力碳纖維板安裝在錨桿支護(hù)上,均勻涂抹樹脂后通過千斤頂對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板進(jìn)行分級(jí)對(duì)稱張拉,張拉完后卸除千斤頂,鎖定螺母;最后,將錨固的預(yù)應(yīng)力碳纖維板粘貼在梁底扣上夾板,施工完畢。

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

混凝土及主筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、撓度測(cè)點(diǎn)布置示意如圖12所示。主梁主筋編號(hào)依次為G1、G2,其中G1和G2主筋表層稍有銹蝕。

圖12 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

4.4 加載機(jī)制

為研究試驗(yàn)鋼筋混凝土梁的破壞過程,分2個(gè)階段進(jìn)行加載和卸載。加載采用分級(jí)加載的方式,同時(shí)采用二期荷載加列車活載作為控制荷載。第一加載階段按照1.0倍二期恒載+1.0倍C64、1.0倍二期恒載+1.0倍 C70、1.0倍二期恒載+1.0倍C80、1.0倍二期恒載+1.0倍中活載的順序進(jìn)行加載,然后卸載。第二加載階段重復(fù)第一加載階段的六級(jí)加載,且后面每個(gè)加載等級(jí)在前一級(jí)基礎(chǔ)上增加0.5倍中活載進(jìn)行加載,直到加載至2 000 kN,梁體破壞。

用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的鋼筋混凝土梁加載過程和鋼筋混凝土梁相同,分2個(gè)階段加載和卸載。第一加載階段加載和卸載完全相同,第二加載階段加載至2 385 kN,梁體破壞。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 應(yīng)力分析

加固前后不同加載工況靜力加載試驗(yàn)應(yīng)力結(jié)果對(duì)比如圖13所示。由圖13可以看出,加固前后不同荷載組合作用下試驗(yàn)值均明顯小于理論值。在最不利荷載作用下,加固后鋼筋應(yīng)力具有較大的安全儲(chǔ)備,達(dá)到了加固的目的。其中,梁體混凝土應(yīng)力試驗(yàn)值與理論值分別減小2.50,2.26 MPa,減小幅度分別為24.15%、19.62%,加固前后試驗(yàn)值與理論值誤差分別為10.23%、15.32%;梁體鋼筋應(yīng)力試驗(yàn)值與理論值分別減小82.97,85.77 MPa,減少幅度分別為47.68%、45.45%。加固前后試驗(yàn)值與理論值誤差分別為8.46%、11.58%。綜上所述,理論計(jì)算對(duì)預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果仍具有一定的可靠度,為試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了便利。

圖13 加固前后不同加載工況靜力加載試驗(yàn)應(yīng)力曲線

5.2 裂縫發(fā)展規(guī)律

隨著靜力加載試驗(yàn)進(jìn)程,T梁會(huì)出現(xiàn)新的裂縫,并隨著荷載等級(jí)增加,其寬度都有所發(fā)展,且腹板裂縫逐漸由梁底向梁頂方向持續(xù)發(fā)展,圖14為加固前后裂縫寬度隨著荷載等級(jí)的發(fā)展歷程。由圖14可以看出,隨著荷載等級(jí)增加,既有裂縫寬度也隨著試驗(yàn)進(jìn)程不斷發(fā)展,整體上呈增長趨勢(shì),雖然預(yù)應(yīng)力碳纖維板不能阻止試驗(yàn)梁的開裂,但仍可限制純彎段裂縫的向上延伸。在最不利荷載組合作用下,其裂縫寬度與規(guī)定的裂縫寬度限值十分接近,究其原因是此橋已運(yùn)行近20年,考慮鋼筋銹蝕、混凝土剝落等問題從而導(dǎo)致梁體剛度降低。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后,裂縫寬度均得到大幅度降低,其中最大荷載組合情況下降低66.68%。

圖14 裂縫寬度隨荷載等級(jí)發(fā)展規(guī)律

5.3 撓度分析

加固前后不同加載工況后靜力加載試驗(yàn)撓度結(jié)果對(duì)比如圖15所示。由于撓度理論計(jì)算中未考慮恒載產(chǎn)生的跨中撓度,經(jīng)計(jì)算,恒載產(chǎn)生的跨中撓度為6.65 mm。由圖15可以看出,試驗(yàn)值均小于理論值,滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。隨著荷載等級(jí)增加,各測(cè)點(diǎn)撓度大致呈增長趨勢(shì),主要原因是隨著荷載等級(jí)增加,混凝土T梁裂縫不斷產(chǎn)生及發(fā)展,從而導(dǎo)致其剛度降低。其中在最不利荷載作用下試驗(yàn)值減小2.28 mm,減小幅度為16.31%;理論值減小2.38 mm,減小幅度為16.51%。同時(shí),加固前后試驗(yàn)值與理論值誤差分別為6.93%、6.85%,因此,理論計(jì)算對(duì)預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性,極大地降低了試驗(yàn)難度。

圖15 加固前后T梁跨中撓度

6 結(jié)論

對(duì)某重載鐵路在役12 m鋼筋混凝土T梁進(jìn)行了不同荷載組合作用下的靜力加載試驗(yàn),并對(duì)加固前后應(yīng)變、裂縫、變形等參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)與測(cè)試,經(jīng)數(shù)據(jù)整理分析,得到以下結(jié)論。

(1)采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固12 m鋼筋混凝土T梁,能夠有效降低梁體應(yīng)力、裂縫寬度和撓度,使梁體受力性能得到改善,證明了預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法的可靠性和適用性,具有良好的應(yīng)用前景。在滿足規(guī)范限值情況下,又具備充足的安全儲(chǔ)備,為該技術(shù)更好地推廣打下基礎(chǔ),也為同類舊橋加固提供了參考與借鑒。

(2)加固前后能夠顯著提高此T梁的受力性能,混凝土及鋼筋應(yīng)力均得到有效降低,且滿足規(guī)范規(guī)定的限值。其最不利荷載作用下混凝土及鋼筋應(yīng)力分別下降了24.15%、47.68%。

(3)隨著荷載等級(jí)增加,T梁跨中底面和腹板側(cè)面均新增裂縫,且既有裂縫和新增裂縫的寬度均隨荷載等級(jí)增加而增加。加固后其最不利荷載組合情況下裂縫寬度下降66.68%。

(4)試驗(yàn)梁采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后,軸向力會(huì)對(duì)試驗(yàn)梁產(chǎn)生反拱現(xiàn)象,從理論計(jì)算以及T梁的變形測(cè)試可以得知,在對(duì)稱加載條件下,加固后各荷載組合下的撓度均得到明顯下降,說明采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后,不僅承載力得到了提高,還間接提高了梁的剛度,其最不利荷載組合情況下跨中撓度下降16.31%。