高鐵簡(jiǎn)支梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固及梁體上拱分析

俞文龍

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 引言

目前我國(guó)高鐵建設(shè)方興未艾，建設(shè)體量非常巨大，同時(shí)隨著一帶一路倡議的提出，中國(guó)高鐵開始著手走出去戰(zhàn)略。所有的一切都要求中國(guó)高鐵必須有一套完備先進(jìn)的技術(shù)才能不斷發(fā)展壯大，同時(shí)在日益競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際市場(chǎng)不斷擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額。

目前中國(guó)高鐵的建造技術(shù)世界一流，車輛、通信等也是國(guó)際領(lǐng)先［1-2］，但作為高鐵建設(shè)中的一個(gè)必不可少的技術(shù)補(bǔ)充——高鐵橋梁維修加固，目前研究還非常少［3-4］。主要由于目前高鐵建設(shè)還沒有進(jìn)入維修加固期，國(guó)內(nèi)開通的第一條高鐵線路京津城際高鐵于2005開工建設(shè)、2008年建成通車，到目前也就運(yùn)營(yíng)了10年的時(shí)間［5］。但隨著高鐵建設(shè)體量的不斷增加、運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，高鐵橋梁必然面臨加固的問題，因此盡早開展相關(guān)研究十分必要［6-7］。

下面以本單位承建的國(guó)內(nèi)首座高鐵簡(jiǎn)支箱梁橋加固施工為背景，介紹高鐵簡(jiǎn)支梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，同時(shí)分析體外預(yù)應(yīng)力加固導(dǎo)致的梁體上拱對(duì)于軌道平順性的影響及相應(yīng)的解決方案。

2 工程概況

廈深鐵路北接福廈鐵路并與龍漳線及既有鷹廈線相通，南連既有廣深鐵路和廣深港客運(yùn)專線，是杭甬深鐵路的組成部分。設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度250 km／h，設(shè)計(jì)荷載為ZK活載和中-活載；線路為雙線，正線線間間距4.6 m；采用有砟軌道，Ⅲ型橋枕，重型軌道60 kg／m、100m定尺長(zhǎng)U75V無螺栓孔新鋼軌，無縫線路。

丹梓大道特大橋全長(zhǎng)12 090.46 m，中心里程號(hào)DK464＋033.7 m，全橋364孔。其中第295孔上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，梁長(zhǎng)48.4 m，單箱單室截面，梁寬12.2 m，截面中心線處高3.89 m，采用C50混凝土，滿堂支架法施工；支座采用CKPZ-6000型盆式橡膠支座，橫向間距5.4 m。下部結(jié)構(gòu)采用矩形實(shí)體橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

橋梁建成通車運(yùn)營(yíng)后，出現(xiàn)了一定的病害，根據(jù)丹梓大道特大橋某孔梁體檢查結(jié)果，該跨梁體存在的主要病害為：箱梁底板外表面普遍存在橫向開裂，裂縫最大寬度0.15 mm，大部分裂縫已延伸至兩側(cè)腹板，呈“U形”狀；箱內(nèi)底板由于表面存在浮漿，無法做詳細(xì)檢查，但箱內(nèi)兩側(cè)腹板均存在斜向開裂現(xiàn)象，裂縫最大寬度0.24 mm，其中部分裂縫已封閉處理。

3 橋梁病害分析及加固方案

橋梁梁體跨中底板出現(xiàn)大量橫向裂縫，箱內(nèi)兩側(cè)腹板均存在斜向開裂現(xiàn)象，據(jù)此可推斷梁體病害的主要原因?yàn)闃蛄簞偠葥p失過大，具體應(yīng)為梁體預(yù)應(yīng)力張拉不到位或后期預(yù)應(yīng)力損失較大導(dǎo)致。

根據(jù)丹梓大道特大橋某孔梁靜載試驗(yàn)，在最大級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，跨中截面實(shí)測(cè)撓度平均值19.16mm，換算至ZK活載，跨中撓度值為25.21 mm。據(jù)此撓度數(shù)據(jù)通過模型反算梁體剛度，計(jì)算得出當(dāng)梁體跨中現(xiàn)存平均預(yù)應(yīng)力為680 MPa時(shí)，梁體跨中撓度25.23 mm，與荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相近。設(shè)計(jì)梁體跨中截面永存平均預(yù)應(yīng)力大小為979 MPa，即現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力值約為原設(shè)計(jì)值的69.5%。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，初步提出體外預(yù)應(yīng)力加固處理方案。在箱室內(nèi)布置4對(duì)共8束體外預(yù)應(yīng)力鋼束，通過轉(zhuǎn)向塊轉(zhuǎn)向，錨固于梁端橫隔板外增設(shè)的錨固塊處。預(yù)應(yīng)力筋采用單根7～15.2 mm、1 860 MPa鋼絞線，每根鋼束設(shè)31根鋼絞線，采用單絲環(huán)氧無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力采用兩端張拉，張拉控制應(yīng)力1 209 MPa。同時(shí)設(shè)置1對(duì)備用體外索，根據(jù)施工或后續(xù)運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況確定是否進(jìn)行穿索張拉。增設(shè)錨固塊及端部轉(zhuǎn)向塊采用C50自密實(shí)混凝土，通過植筋與箱梁既有構(gòu)造連接。轉(zhuǎn)向器采用散束式；梁端橫隔板處鉆設(shè)D260 mm孔道供鋼束錨固端通過。鋼束錨固采用M15-31可調(diào)可換夾片式錨具，錨具外設(shè)防護(hù)罩，錨下埋置壓力傳感器，箱內(nèi)索體設(shè)減振索夾，具體體外預(yù)應(yīng)力布置如圖1所示。

圖1 加固方案體外預(yù)應(yīng)力布置

4 加固方案驗(yàn)算

加固方案驗(yàn)算時(shí)，考慮到廈深鐵路后期運(yùn)營(yíng)車輛調(diào)整，可能會(huì)運(yùn)行貨運(yùn)列車，因此在加固效果計(jì)算分析時(shí)需考慮列車荷載狀況的影響，擬分別采用ZK活載、ZKH活載和中-活載標(biāo)準(zhǔn)荷載三種荷載形式進(jìn)行驗(yàn)算［8-9］，確保加固效果滿足后期運(yùn)營(yíng)的要求。

同時(shí)考慮到梁體開裂病害可能并非由預(yù)應(yīng)力張拉不夠引起，防止增加體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行梁體加固后導(dǎo)致梁體壓應(yīng)力超標(biāo)，因此需要對(duì)原設(shè)計(jì)狀態(tài)下增加體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 加固后梁體抗裂性驗(yàn)算

計(jì)算結(jié)果顯示，原預(yù)應(yīng)力體系按現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力為原設(shè)計(jì)值的69.5%和100%分別計(jì)算，通過體外預(yù)應(yīng)力體系加固后，不同移動(dòng)荷載作用下，運(yùn)營(yíng)階段主力組合梁體跨中截面最小抗裂安全系數(shù)分別為K＝1.43和1.83，大于抗裂安全系數(shù)控制指標(biāo)［K］＝1.20［10］，滿足規(guī)范要求，具體抗裂性驗(yàn)算結(jié)果見表1。

_表1_主力組合跨中截面抗裂性驗(yàn)算

4.2 加固后梁體正應(yīng)力驗(yàn)算

原預(yù)應(yīng)力體系按現(xiàn)存預(yù)應(yīng)力為原設(shè)計(jì)值的69.5%和100%分別計(jì)算，通過體外預(yù)應(yīng)力體系加固后，運(yùn)營(yíng)階段不同移動(dòng)荷載作用下，梁體截面正應(yīng)力以跨中截面控制，主力組合跨中截面上、下緣應(yīng)力見表2。

_表2_主力組合跨中截面正應(yīng)力驗(yàn)算

現(xiàn)存69.5%預(yù)應(yīng)力的情況下，上緣壓應(yīng)力分別為 -10.68 MPa、-11.77 MPa和 -11.40 MPa，均小于C50混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc＝23.1 MPa；下緣壓應(yīng)力分別為-4.76 MPa、-3.15 MPa和-3.73 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力較小，未超過C50混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，梁體上下緣應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求。

現(xiàn)存100%預(yù)應(yīng)力的情況下，上緣壓應(yīng)力分別為 -10.06 MPa、-11.15 MPa和 -10.78 MPa，均小于C50混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc＝23.1 MPa；下緣壓應(yīng)力分別為 -10.96 MPa、-9.35 MPa和-9.93 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力均小于C50混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，梁體上下緣應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求。

5 加固過程梁體上拱分析

5.1 梁體上拱實(shí)測(cè)與理論計(jì)算對(duì)比分析

體外預(yù)應(yīng)力加固張拉過程中實(shí)測(cè)的梁體撓度曲線顯示：在張拉完N2束時(shí)，梁體的剛度有一明顯的突變，而后期張拉過程中，隨著張拉力的增大，梁體上撓變形基本呈線性變化狀態(tài)，說明張拉完N2后梁體的主要裂縫基本閉合，見表3。

如圖2所示，對(duì)比梁體理論與實(shí)測(cè)的上撓情況可以看出：梁體的實(shí)測(cè)撓度較理論計(jì)算值偏大，這主要是由于理論計(jì)算時(shí)沒有考慮梁體已有裂縫對(duì)梁體剛度削弱的影響。隨著張拉的進(jìn)行，后期張拉的理論上撓量與實(shí)測(cè)上撓量差距越來越小，說明在N2束張拉完成、主要裂縫閉合后，隨著體外預(yù)應(yīng)力的繼續(xù)施加，梁體仍有一些小裂縫不斷閉合，梁體剛度仍在增加。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力張拉過程梁體上拱趨勢(shì)

表3 梁體變形值對(duì)比 mm

5.2 梁體上拱對(duì)于軌道影響分析

對(duì)于高速鐵路，由于列車運(yùn)行速度很高，其對(duì)線路的平順性要求非常高，其平順性直接關(guān)乎到列車的運(yùn)行安全，對(duì)于線路高差的規(guī)定如表4所示［11］。

表4 軌排精調(diào)后幾何形位允許偏差

本高鐵簡(jiǎn)支箱梁在體外預(yù)應(yīng)力加固過程中，實(shí)測(cè)梁體跨中累計(jì)上撓量為26.32mm，梁長(zhǎng)48.4m，因梁體上撓引起的梁段范圍內(nèi)的軌面高差約為10.88mm／10m。此高差值遠(yuǎn)大于相關(guān)規(guī)定的要求，不能保證列車的高速平穩(wěn)通過，影響列車運(yùn)行安全，故必須對(duì)線路軌面高差進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于既有線路軌面高差的調(diào)整可通過以下3種途徑實(shí)現(xiàn)：

（1）對(duì)于有砟軌道，可以通過振搗道砟，降低軌面標(biāo)高的途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)線路軌面高差的調(diào)整。

（2）通過扣件余量調(diào)整線路軌面高差。

（3）通過順直線路來調(diào)整線路軌面高差。

一般情況下對(duì)于有砟軌道，采用方法1即可完成線路軌面高差的調(diào)整，且調(diào)整速度較快。背景工程鐵路為有砟軌道，體外預(yù)應(yīng)力加固引起的梁體上拱直接通過振搗道砟、降低軌面標(biāo)高實(shí)現(xiàn)軌道高差的調(diào)整，保證軌道的平順。

目前真正意義上的高鐵都是設(shè)計(jì)時(shí)速300km以上，此類高鐵基本都是采用無砟軌道，而無砟軌道軌面高差的調(diào)整就相對(duì)比較困難，只能通過方法2、3實(shí)現(xiàn)。表5給出了目前常用的幾種軌道扣件的高低位置調(diào)整余量［12］，從表中可以看出，常用的幾種扣件高低位置調(diào)整余量都不是很大，尤其是軌面向下調(diào)整的余量非常小，因此只有當(dāng)軌面高差較小，差值范圍在扣件的調(diào)整余量以內(nèi)時(shí)，通過方法2可獨(dú)立完成。但當(dāng)軌面高差較大時(shí)，往往需要方法2、3配合進(jìn)行，即需要從軌面標(biāo)高超標(biāo)區(qū)域向兩側(cè)，通過在扣件調(diào)整余量范圍內(nèi)調(diào)整扣件高度順直線路來達(dá)到調(diào)整線路軌面標(biāo)高的目的。

表5 常用扣件高低調(diào)整量

對(duì)于較長(zhǎng)范圍的軌面標(biāo)高調(diào)整往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而高鐵線路軌面標(biāo)高調(diào)整只能在高鐵運(yùn)行天窗期進(jìn)行，時(shí)間比較緊迫，一般只有深夜的3～4h，因此需要提前計(jì)算軌道標(biāo)高調(diào)整的范圍，合理安排人力物力，保證按時(shí)完成軌面標(biāo)高調(diào)整工作。

具體的線路調(diào)整范圍及調(diào)整方法可由以下計(jì)算方法確定：

式中，L為需調(diào)整的軌道線路長(zhǎng)度（m）；a為扣件節(jié)點(diǎn)間距（m）；n為從上拱最高點(diǎn)向一側(cè)所需調(diào)整的區(qū)段個(gè)數(shù)，取整數(shù)。

式中，Δh為梁體最大上拱值（mm）；b為扣件可向下調(diào)整的余量（mm）。

根據(jù)以上計(jì)算得出的軌面標(biāo)高調(diào)整長(zhǎng)度，結(jié)合天窗期鐵路管理部門給定的時(shí)間，即可計(jì)算出完成軌面標(biāo)高調(diào)整所需人力物力，從而有效地指導(dǎo)施工，保證列車按時(shí)通過。

6 結(jié)論

（1）計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，采用體外預(yù)應(yīng)力對(duì)高鐵簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行加固，方法可行，加固效果滿足設(shè)計(jì)、使用要求。

（2）體外預(yù)應(yīng)力加固引起的梁體上拱對(duì)高速列車的正常運(yùn)行帶來不利影響，需要通過調(diào)整軌面高差的方法對(duì)線路進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于有砟軌道，可直接通過振搗道砟，降低軌面標(biāo)高的途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)線路軌面高差的調(diào)整；對(duì)于無砟軌道，則需要通過調(diào)整扣件及順直線路的途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)線路軌面高差的調(diào)整。