基于体外预应力的铁路站场灯桥钢桁梁加固方案_冯淑珍.pdf

CM&M 2023.01181桥梁的支座采用单端与墩顶预埋钢板焊接，另外一端利用钢连杆限制竖向位移的形式。桥梁采用预制混凝土墩柱，预制 0.3m0.3m 钢筋混凝土桩基础。铁路站场灯桥管理保养难度高、实施困难且周期短，经多次重复涂刷后，钢梁的防腐涂装层最大厚度达到 0.8mm，但是极不均匀，且局部依然存在着锈蚀现象。桥梁杆件的实际锈蚀状态难以检测，桥梁跨中最大下挠量已达到 140mm。为了消除安全隐患，需要对钢桁梁进行加固处治2。对于钢结构而言，局部杆件补强、改变结构受力体系、增加体外预应力钢束是常用的三种加固技术。体外预应力加固钢结构工作可在不卸载、不中断铁路运营的条件下进行，极大程度的满足了铁路运营要求。施加预应力可直接减小变形，调整钢桁梁杆件的应力状态，充分利用钢材高强特性，提高加固效率。2 总体体外预应力加固方案2.1 设计原则对于钢桁梁桥来讲，需根据内力、应力状态选择桁式、设计杆件截面、验算整体及局部稳定性。体外预应力施加后，应降低杆件应力水平，但不得改变原杆件的受力状态。尤其受拉杆件在转换为受压杆件时，应经过严格的验算和论证，以确保桥梁结构安全。这是配置预应力钢束数量的首要原则。灯桥钢桁梁杆件截面尺寸较小，体外预应力钢束的施0 前言通常铁路站场内的灯桥采用钢桁梁结构，为了跨越多条铁路股道，钢桁梁桥跨径通常为 2045m 不等。该类型钢桁梁具有荷载标准低、刚度低、焊接连接等特点1。在多年运营后，由于维护、维修不及时，大部分桥梁均存在杆件严重锈蚀、结构下挠甚至振动异常等病害，存在着一定的安全隐患。由于铁路管理及站场运营需要等原因，对灯桥钢桁梁进行更换方案不可行，只能实施维修或加固。目前，国内外对灯桥进行维修加固设计和加固实施的相关文件较少，而大型钢桁梁加固设计的类型参考程度不高，由此导致其施工难度较大。如何能够在保证加固效果的前提下，快速施工以减少对铁路运营的影响，是目前面临很迫切的问题。采用体外预应力进行加固施工快速、质量可控，但是系统地介绍相关理论、类似研究以及实施案例等均较少。本文根据杆件的实际截面，按照简支边界条件建立 MIDAS 模型，对体外预应力加固效应进行分析。1 项目概况某铁路站场灯桥为跨度 39m 简支钢桁梁。桁架高度1.5m，宽度为 1.2m，节间长度为 3m。桥梁上下弦杆由双肢 L758mm 等边角钢拼接而成，支点附近三个节间内加强腹板及平联采用单肢 L658mm 等边角钢，跨中附近腹杆及横联、平联等采用单肢 L505mm 等边角钢。桥梁建设年代通常较早，钢材材质均为 Q235。基于体外预应力的铁路站场灯桥钢桁梁加固方案冯淑珍 蒋伟 彭瀚钰摘要：铁路站场灯桥为简易钢桁梁结构，运营中常伴有钢构件锈蚀、结构下挠等病害。通过桥梁计算软件 MIDAS 建立模型进行理论分析可知，施加体外预应力，加固对改善杆件应力状态、抑制下挠具有显著效果。体外预应力钢束的锚固、减振具有良好的可行性、可靠性。在增大截面加固的基础上施加体外预应力，对灯桥钢桁梁进行加固具有非常好的效果，且施工简便，对铁路运营影响相对较小。关键词：铁路；体外预应力；钢桁梁；加固（南京铁道职业技术学院，江苏南京 210000）182工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工加对局部影响巨大。在掌握总体加固效果的同时，更应关注局部细节构造及受力变化。这是方案可行的前提和关键。2.2 体外预应力钢束总体布置概述体外预应力钢束采用填充型环氧涂层钢绞线，布置于下弦杆下方，纵向水平布置3。为了避免下挠以及张拉后挠曲变形对体外预应力钢束的影响4，钢束中心距离下弦边缘距离要超过下挠量，或在体外预应力张拉后，钢桁梁下弦杆与体外预应力钢束间应具有一定距离。同时在锚固基座钢束穿出孔位置要倒角成喇叭形。锚固基座、减振器等均应设置在钢桁梁节点位置。在锚固点位置，张拉的预应力钢束对下弦杆施加了一个水平作用力（并具有一定距离的偏心）。在体外预应力荷载作用下，跨中区段主梁杆件应力变化相对均匀，但锚固区域杆件包括下弦杆、腹杆及横联等的应力突变均十分显著。且随着桁式的不同，发生应力突变的杆件也不同。为此应根据具体的计算结果，对体外预应力锚固区域附近的杆件提前加固处理。为了避免桥梁、预应力钢束振动引起钢束出现线形变化，影响施加效果，按照不超过 10m 的原则，分别在四分点位置设置减振器以固定钢束。减振器应在预应力钢束张拉并锚固后安装、紧固，且不得影响钢束线形。3 关键技术研究3.1 锚固位置及杆件受力特性变化分析锚固位置总体上不改变钢桁梁的整体加固效果，但是对局部杆件的受力状态改变很大，且与桁式、杆件截面有很大关系。由于锚固端部时与支座位置冲突，改造工作量及施工难度均很大，因此对锚固点设置于距离梁端 1.5m（未设置平联横杆）和 3m（设置有平联横杆）处进行比较。总体上施加体外预应力后对下弦杆受力状态改变较大5。在每个弦杆下方距离中心线 150mm 处设置 2 根1860MPa 钢绞线，并张拉至 1209MPa 时，不考虑锚固点附近 2 个节间局部应力增大的情况下，下弦杆压应力增加-159.3-204.3MPa，在杆件中部设置有平联的构件应力增加较高。3.1.1 锚固于距离梁端 1.5m上弦杆及上平联杆件应力增加相对较小，上弦杆最大增加拉应力 40MPa，上平联最大增加 16.7MPa。由于没有平联、横联等进行内力传递和分配，锚固点位置下弦杆应力存在突变。位于杆件中部（未设置平联节点）的下弦杆最大应力达到 885.7MPa，设置有平联节点端下弦杆应力达到 657.9MPa。下平联端部斜杆应力增加最大，拉应力增加294MPa。横联应力改变相对较小，最大拉应力增加 71.3MPa，且仅影响 2 个节间。其余节间横联受力几乎不变。对腹杆的影响范围主要基中在端部 1 个节间，端部竖杆影响最大，压应力增加-161.2MPa，第一个节间的斜腹板应力变化141.6MPa。3.1.2 设置于距离梁端 3.0m上弦杆及上平联杆件应力增加相对较小，上弦杆最大增加拉应力 83.3MPa，上平联最大增加 35.6MPa，且影响杆件数量少。对应于锚固点位置的下弦杆应力增加较大，两侧增加较均匀，分别为 348.4MPa、371.1MPa。下平联斜杆应力变化最大为 124.8MPa。锚 固 点 处 横 联 受 力 变 化 较 大，最 大 变 化 量 达 到177.1MPa，相邻节间应力最大变化量为 19.0MPa，在远处节间受力几乎不影响。对腹杆的影响范围主要集中于锚固点前后的节间。其中锚固点位置的竖杆和斜杆应力变化量大。竖杆应力变化量达到 433.4MPa，斜杆应力最大变化为308.4MPa。3.1.3 对比分析及建议锚固点设置于距离梁端 1.5m 时，对下弦杆受力影响巨大。其次为锚固点附近的下平联和腹杆。对上弦杆及上平联影响较小。锚固点设置于距离梁端 3.0m 时，对下弦杆以及腹杆受力影响最大，其次为横联、下平联。对上弦杆的影响同样不能忽视。体外预应力施加对局部杆件应力影响巨大6。通过对比分析，体外预应力锚固点应设置于节点上或设置位置新增加节间，以优化应力传递。且应对锚固点附近 2 个节间的下弦杆、竖杆、以及横联（尤其是横杆）应进行针对性加固。3.2 布束数量研究分析体外预应力总体上在下弦杆下方成束状布置，布置数量以改善杆件应力状态且不改变受力性质为原则。布束数量及张拉控制应力，与钢桁梁形式、杆件截面尺寸等直接相关。根据杆件的实际截面，按照简支边界条件建立 MIDAS 模型，对体外预应力加固效应进行分析。在弹性范围内，加固效应与布束数量及张拉控制应力大小成正比。根据前述计算结果，每个下弦杆下方 150mm处布置有 2 根钢绞线，且张拉控制应力 1395MPa 时，下弦杆压应力增加约-160MPa，钢桁梁上挠 99mm；与自重、二期恒载等组合后，下弦杆具有-87-110MPa 的压应力；上弦杆压应力为 1579.7MPa，总体上分布较均匀，端部 3 个节间范围应力较小，为 1556.6MPa；跨中上挠+27mm。同样位置布置 1 束、张拉控制应力为 1395MPa 时，下弦杆压应力增加约 80MPa，钢桁梁上挠约 50mm。与自重、二期恒载等组合后，下弦杆具有 1225MPa 的压应力；上弦杆压应力为 10.683.7MPa，由跨中向端部递减；跨中下挠-22mm。CM&M 2023.01183参考文献1 王小平,周强.冲压件与自攻螺钉连接的薄壁管桁架工程实践 及研究 J.钢结构,2016(2):81-88.2 苏乾坤.下承式钢桁梁桥评估和横向刚度加固设计 J.四川建 筑,2017(1):123-125,128.3 董峰,张建东,李雪红,等.钢桁腹预应力混凝土组合梁桥静动 载试验研究 J.中外公路,2015(2):124-129.4 陆小蕊,张峰,刘佳琪,等.弹性阶段波形钢腹板组合梁体外预 应力增量 J.广西大学学报（自然科学版）,2019(4):944-951.5 马遥,陈士通,许宏伟,等.六四式铁路军用梁的预应力加固技 术研究 J.铁道标准设计,2019(6):88-92.6 王金花,张晓光.体外预应力加固钢结构的研究与发展 J.低 温建筑技术,2013(10):46-49.7 李自林,孙丹.体外预应力加固桥梁挠度分析 J.河北工程大 学学报（自然科学版）,2011(4):30-32.8 樊卿卿.不中断交通情况下连续箱梁体外预应力加固工艺应用 J.中国市政工程,2016(Z1):78-80.江苏省青蓝工程项目资助（项目编号RCQL19104）、江苏省轨道交通控制技术研究开发中心开放基金重点课题（编号：KFJ2004）。设计最终数量及张拉控制应力，需要对杆件运营状态评定后结合加固目标确定。在布束数量级差对加固效果影响较大时，可通过调整预应力设计值调整加固效果。4 加固方案及理论效果根据上述分析对比，在距离端部3.0m处节点位置设置锚固点，每个下弦杆下方 150mm 处设置 2 根钢绞线，对钢桁梁进行加固是合理的。同时需要对部分杆件进行增大截面加固处理。铁路站场灯桥为焊接钢桁梁，适合于采用增大截面法进行加固。即在既有杆件的侧面增加适当厚度的板材，并通过焊接与既有杆件连接为整体。项目中各杆件均焊接 10mm 厚钢板进行加固。下弦杆同样采取该方案，但应注意，既有杆件为双肢且中间设有缀板或间隙的，应将该间隙添堵，以防止积水进而引起杆件锈蚀。体外预应力锚固采用新增钢结构基座的方式如图 1、图 2 所示。体外预应力钢束直线布置，不需要设置转向装置7。为了避免钢束因风或其他荷载而引起振动，间隔约 10m 设置减振器 1 套，具体位置应结合节间长度确定。减振器采用钢管、钢板焊接而成。为了避免对下弦杆造成损伤，减振器利用高强螺栓固定于下弦杆上，如图 3 所示。为了保证耐久性，钢绞线应采用填充型环氧涂层钢绞线8；同时除了锚固位置外，其余部位应设置有聚乙烯套管。钢桁梁加固总体上遵循先增大截面，然后施加体外预应力的流程。下弦杆增大截面后，截面面积增加约 82%。施加体外预应力后，下弦杆压应力约 81MPa；上弦杆应力状态变化相对较小。加固前桥梁跨中处下挠-71.8mm，加固后跨中处上挠约 24.0mm。5 结语综上所述，对杆件相对纤细的钢桁梁灯桥进行体外预应力加固是可行的，且效果显著。施加体外预应力后，锚固点位置附近的杆件应力变化大，但是影响杆件数量较少，仅对锚固点附近 2 个节间影响较大，应增大截面加固后方可实施体外预应力。加固后下弦杆由受拉状态改变为受压状态，压应力较低且能够主动调整，杆件稳定性满足规范要求。体外预应力作用下，钢桁梁下挠得到了很好的改善，不正常下挠可完全消图1 体外预应力钢束布置图2 锚固基座布置及大样图3 减振器大样竖杆中心线竖杆中心线上弦杆下弦杆下弦杆连接钢板连接钢板穿越套管穿越套管下弦杆基座板基座板基座板基座加劲板锚垫板高强螺栓高强螺栓高强螺栓垫板橡胶板上盖板锚垫板上弦杆对称中线斜腹板中心线斜腹板中心线下弦杆增大截面下弦杆增大截面增大截面体外预应力锚固基座减振器体外预