體外預(yù)應(yīng)力加固鐵路蓋板涵靜載試驗(yàn)研究

崔建龍，王起才，李 盛，霍明剛，王曉豐

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.蘭州大學(xué)，甘肅蘭州 730030)

發(fā)展重載鐵路運(yùn)輸既可有效地增大運(yùn)輸能力，又能降低運(yùn)輸成本，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。然而，由于2臺(tái)和諧型機(jī)車(chē)牽引的2萬(wàn)噸重載組合列車(chē)在大秦線鐵路專(zhuān)線的開(kāi)行，大秦鐵路年運(yùn)輸量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。線路上蓋板涵結(jié)構(gòu)受力明顯增大，蓋板涵裂縫增多，掉塊范圍大，保護(hù)層厚度不足，有裸露筋并且有氯離子的侵入使鋼筋銹蝕，以及邊墻漿砌片石勾縫脫落、砂漿變酥等病害。蓋板涵的破損，對(duì)重載列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了潛在危險(xiǎn)。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析蓋板涵加固前后受力狀態(tài)，確認(rèn)體外預(yù)應(yīng)力加固的效果[1-2]，為大秦鐵路蓋板涵的加固提供技術(shù)支持。

1 蓋板涵體外預(yù)應(yīng)力加固

1.1 概述

基于對(duì)大秦鐵路蓋板涵加固課題的探討，本文利用相似原理自制一片蓋板涵，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，混凝土材料和普通鋼筋均按現(xiàn)場(chǎng)材料選取。模型長(zhǎng)4.5 m，寬1.0 m，端部高0.37 m，跨中高0.46 m。構(gòu)件混凝土的強(qiáng)度平均值為20 MPa，彈性模量約為2.8×104MPa，梁體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力縱向受拉鋼筋為18根φ16 mm，受壓鋼筋為6根φ8 mm。

蓋板涵體外預(yù)應(yīng)力筋加固的實(shí)施方案為，在距梁下緣5 cm處設(shè)置3根直徑25 mm的精軋螺紋鋼，并在距離梁端45 cm處設(shè)置錨固裝置(主要由植筋、角鋼、加勁肋組成)。體外預(yù)應(yīng)力筋布置、模型尺寸參見(jiàn)圖1、圖2。

1.2 錨固裝置的抗剪抗拔驗(yàn)算

體外預(yù)應(yīng)力筋錨固裝置如圖1所示。

圖1 錨固區(qū)加固(單位:cm)

植筋直徑為16 mm，12根，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為140，170 MPa，鋼筋偏心距為4 cm。

通過(guò)按文獻(xiàn)[3]試算，在單個(gè)螺栓最大剪力和拉力滿(mǎn)足規(guī)范容許值時(shí)，得到施加的最大有效預(yù)應(yīng)力約為體外無(wú)粘結(jié)鋼筋抗拉強(qiáng)度的11%。故在靜載試驗(yàn)過(guò)程中，體外無(wú)粘結(jié)鋼筋預(yù)加力張拉值最大取10%。分3組進(jìn)行試驗(yàn)(6%，8%，10%)。

2 室內(nèi)蓋板涵靜載試驗(yàn)

2.1 儀器和測(cè)點(diǎn)的選定

用DJCK-2裂縫測(cè)寬儀讀取裂縫寬度。采用百分表(量程3 cm)進(jìn)行撓度量測(cè)。采用3816應(yīng)變測(cè)試儀量測(cè)鋼筋、混凝土的應(yīng)變(用標(biāo)距為80 mm的膠基電阻應(yīng)變片量測(cè)混凝土，標(biāo)距為5 mm的膠基電阻應(yīng)變片測(cè)鋼筋應(yīng)變)。

裂縫觀測(cè)時(shí)均以跨中附近受拉鋼筋形心線處構(gòu)件側(cè)面的裂縫寬度為準(zhǔn)，靜載過(guò)程中，在每級(jí)荷載下觀察裂縫寬度以及開(kāi)裂情況。測(cè)量撓度時(shí)分別在兩支座處設(shè)置兩個(gè)百分表，L/4、跨中、3L/4分別設(shè)置一個(gè)百分表。對(duì)于混凝土應(yīng)變，在試驗(yàn)蓋板的跨中截面布置20個(gè)電阻應(yīng)變片，其中底面5個(gè)，頂面5個(gè)，兩側(cè)面各5個(gè);在相應(yīng)的加載位置布置9個(gè)電阻應(yīng)變片，其中底面3個(gè)，兩側(cè)面各3個(gè);L/4處布置12個(gè)電阻應(yīng)變片，其中底面3個(gè)，頂面3個(gè)，兩側(cè)面各3個(gè)。鋼筋應(yīng)變片分別布置在跨中截面處的受拉鋼筋和受壓鋼筋上，體外無(wú)粘結(jié)鋼筋每根布置2個(gè)應(yīng)變片。混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 蓋板各面混凝土應(yīng)變片布置(單位:cm)

2.2 試驗(yàn)方案

1)試驗(yàn)前對(duì)千斤頂和拉壓傳感器進(jìn)行校正。

2)先做2～3次預(yù)加載靜載試驗(yàn)，荷載控制值取為25 kN(即疲勞下限值)，用來(lái)考查儀表是否正常，荷載是否偏心和減小測(cè)試誤差。

3)用放大鏡及裂縫測(cè)寬儀測(cè)試初始裂縫寬度，用百分表測(cè)試初始撓度，3816測(cè)試初始應(yīng)變。

4)參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算蓋板開(kāi)裂荷載值，根據(jù)計(jì)算值確定分級(jí)加載，每級(jí)加載50 kN，時(shí)間間隔取10 min，一直加載至梁體產(chǎn)生0.2 mm裂縫時(shí)停止加載，每級(jí)加載后測(cè)試裂縫寬度、撓度、應(yīng)變。

5)而后分級(jí)卸載，并同時(shí)測(cè)試每次卸載后裂縫寬度、撓度、應(yīng)變(注意觀察裂縫閉合情況)。加載方式如圖3所示。

圖3 蓋板涵加載方式

3 室內(nèi)蓋板涵靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 板梁加固前后數(shù)據(jù)

施加體外預(yù)應(yīng)力前、后的混凝土、鋼筋應(yīng)力及跨中撓度見(jiàn)表1、表2。

施加體外預(yù)應(yīng)力后載面應(yīng)變分布見(jiàn)圖4。加固前后的混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及跨中撓度分別見(jiàn)圖5—圖7。

表1 未加固實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 施加10%預(yù)應(yīng)力加固時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 蓋板涵加固后截面應(yīng)變分布

3.2 加固前后比較及分析

1)由圖4可以看出，梁體在加固后的運(yùn)營(yíng)階段，其截面應(yīng)變基本符合平截面假定。

2)從表1看出，加固前施加荷載500 kN時(shí)，普通鋼筋拉應(yīng)力164 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，尚有很大的安全儲(chǔ)備，而混凝土的壓應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)混凝土彎曲受壓的容許應(yīng)力值11.2 MPa，跨中最大撓度6.16 mm已經(jīng)超過(guò)規(guī)范容許值L/800。

圖5 蓋板頂面混凝土應(yīng)力

圖6 蓋板普通鋼筋拉應(yīng)力

圖7 蓋板跨中撓度

3)從表2及圖5—圖7結(jié)果分析，采用體外預(yù)應(yīng)力加固后，蓋板涵的承載能力增加，體現(xiàn)在普通鋼筋的應(yīng)力、頂面混凝土壓應(yīng)力和跨中撓度的減小及荷載等級(jí)增加上。相比于加固前混凝土達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)，采用6%體外預(yù)應(yīng)力加固后，混凝土抗壓強(qiáng)度最大降低了35%，普通鋼筋拉應(yīng)力降低了27.7%，跨中撓度最大降低14.1%;采用8%體外預(yù)應(yīng)力加固后，混凝土抗壓強(qiáng)度最大降低了35.2%，普通鋼筋拉應(yīng)力降低了30.5%，跨中撓度最大降低15.1%;采用10%體外預(yù)應(yīng)力加固后，混凝土抗壓強(qiáng)度最大降低了38.5%，普通鋼筋拉應(yīng)力降低了32.7%，跨中撓度最大降低15.8%。

3.3 加固效果理論分析

建立體外預(yù)應(yīng)力與施加外荷載(圖8)的彎矩平衡方程

式中:P0為有效預(yù)應(yīng)力;ΔTp為體外預(yù)應(yīng)力增量;dp為體外筋到形心的距離;L為蓋板涵計(jì)算跨徑。

圖8 體外預(yù)應(yīng)力分析模型

本試驗(yàn)采用三分點(diǎn)荷載加載，并基于已有研究基礎(chǔ)上[4-5]，可以得到施加不同體外預(yù)應(yīng)力時(shí)體外筋分擔(dān)的外荷載程度，即得到加固的效果。通過(guò)計(jì)算:在蓋板涵承受疲勞上限荷載280 kN情況下，施加6%體外預(yù)應(yīng)力加固時(shí)，最大可分擔(dān)69 kN的外荷載;施加8%體外預(yù)應(yīng)力加固時(shí)，最大可分擔(dān)92 kN的外荷載;施加10%體外預(yù)應(yīng)力加固時(shí)，最大可分擔(dān)115 kN的外荷載。這與體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)變片實(shí)測(cè)值誤差不超過(guò)5%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，采用體外預(yù)應(yīng)力加固對(duì)提高承載能力效果顯著。并可以根據(jù)加固的要求，施加不同體外預(yù)應(yīng)力，達(dá)到分擔(dān)外荷載的效果(但要滿(mǎn)足錨固區(qū)的要求)。此方法操作簡(jiǎn)單，便于隨時(shí)調(diào)整。

對(duì)于小跨徑板梁，本試驗(yàn)采用的錨固完全滿(mǎn)足加固要求，有一定實(shí)用價(jià)值。

[1]趙人達(dá)，奉龍成.體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁靜載試驗(yàn)分析[R].成都:西南交通大學(xué)，1999.

[2]呂蕾，鐘志彬，張國(guó)林.符汶大橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2010(12):10-12.

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