浅析体外预应力加固铁路混凝土梁设计

浅析体外预应力加固铁路混凝土梁设计

黄程

黄程（大连森叶图文设计有限公司辽宁大连116023）

摘要：本文笔者主要提出了体外预应力加固铁路混凝土简支梁的配筋设计方法及加固体系的检算办法，该方法概念明确、简单易行。

关键词：体外预应力；加固；混凝土梁

Accordingtotheinvitroprestressedstrengtheningrailwayconcretebeamdesign

HuangCheng

(dalian'sleafgraphicdesignCo.,ltd.,dalianinliaoning116023)

Pickto:thispapertheauthormainlyputsforwardtheinvitroprestressedstrengtheningrailwaysimply-supportedreinforcedconcreteofreinforcementdesignmethodandstrengtheningthesystembycalculatingmethod,thismethodconceptclear,simple.

Keywords:theexternalprestressing;Reinforcement;Concretebeam

许多既有桥梁随着服役时间的延长，出现了不同程度的损伤.一些损伤严重的梁，需要维修加固.以混凝土梁为例，混凝土浇筑质量差、预应力钢筋孔道压浆不密实、预应力筋的锚固失效和钢筋的腐蚀等是主要损伤原因.随着我国经济社会的快速发展，铁道部制定了重载、提速的重大发展战略.对列车活载提出了新的更高的承载要求.因此，对旧桥进行加固任务紧迫.

常用的桥梁加固技术有桥面补强层加固、增焊主筋法、粘贴钢板补强法、改变结构体系和体外预应力加固法等.体外预应力加固桥梁法简单易行，不影响行车，能同时提高结构承载能力、刚度和抗裂度以及对原结构损伤少等优点.体外预应力加固外索的线形可用折线形，如图1所示，即在梁中间部分(腹板两侧靠近下翼缘处)、在距梁端一定距离处为水平布置，再向上弯起，这种方法常见于公路桥梁的加固，在铁路上也有实例，但目前有关铁路方桥梁方面的应用没有系统的理论介绍.笔者提出了体外预应力加固铁路混凝土简支梁的设计和检算方法.

1体外索内力增量的计算

根据加固梁的受力特点，预加力的实测值需在在桥梁上部结构恒载（含梁自重）作用下测取.加固后混凝土梁在列车荷载下的截面应力检算，计算体外索在活载作用下的内力增量，整个体系对外是静定的，支座反力直接与恒、活载平衡.加固体系的计算图如图1所示.活载作用下，斜筋内力N斜与水平筋内力N之比为λ，即

式中σye、Ey为预应力筋的有效预应力及弹性模量；I、E为梁截面的惯性矩及混凝土弹性模量；A、Ay、A0为面积、体外预应力筋的面积、换算截面面积；Rjy为体外预应力筋的极限强度；其余符号含义见图1.

需要说明的是，梁的刚度沿梁长是变化的，在工程实际中这种近似计算是可以接受的.

2体外索的配筋设计

2．1面积的确定

体外预应力筋面积可由梁危险截面（一般为跨中截面）抗弯强度来测算.具体方法是：①检算旧梁的承载能力；②测定加固后梁达到的承载能力，求出二者差值；③假定此差值由体外索完全承担（偏于安全），初步确定力筋的有效预应力和力筋的偏距，并估算体外力筋的面积；④由抗剪强度及构造要求确定体外力筋转向块和锚固点的位置；⑤按《桥规》的规定对该结构进行各项检算，综合评估初步方案，不断调整至合适为止，因此该过程比较繁琐.

2．2应力损失和张拉控制应力

采用体外索进行旧桥加固时，计算体外预应力筋各项应力损失的方法基本和普通预应力的混凝土梁相同.但需考虑由混凝土收缩、徐变造成的预应力对既有桥的损失.

混凝土的徐变和收缩是受诸多因素的影响.研究表明，多数旧桥在使用中已发生了一定的收缩、徐变.因此，计算体外预应力筋的损失较为困难，可按《桥规》提供的方法计算，并适当对计算值进行折减.根据加固时旧桥的桥龄，可折减20％～30％.

如前所述，体外预应力筋由混凝土收缩、徐变引起的预应力的损失由比梁内的预应力筋要小.因而体外索的张拉控制应力应适当降低，以避免预应力筋长期处于高应力状态下工作，一般可降低10％左右.

3加固后梁的检算

3．1钢筋混凝土梁经加固后的抗弯强度检算

在使用荷载情况下正截面强度的检算，按容许应力法操作。这时梁截面正处于列车及恒载产生弯矩（M）和体外索生成的偏心压力（Ny）的作用下，截面的内力和应力分布见图2(a)，可进行截面的应力计算。混凝土最大的压应力σh及钢筋的应力σg均不能大于相应的允许值.否则，就应当调整配筋去重新检算.

3．2预应力混凝土梁经加固后抗弯强度的检算

在使用荷载条件下为部分预应力A类或者全预应力构件，其正截面应力的检算方法按材料力学的方法计算.若加固后的梁是部分预应力B类，按部分预应力构件的应力分析方法去检算［1］.

除了检算预应力混凝土梁弹性阶段的正应力外，还需进行抗弯强度的检算。加固梁抗弯强度的计算图如图2(c)所示.

受压区的高度必须满足x≤0.4h0，此时，梁的破坏属于塑性破坏。在主力作用下，破坏弯矩Mu不能<弯矩的两倍.计算加固后的抗弯强度关键的是要确定破坏阶段的体外预应力筋的极限应力σu.

3．3抗剪的强度检算

梁和斜筋共同承担加固后体系承受的外剪力.普通的钢筋混凝土梁经加固后，在梁体的尺寸、构造和预应力的大小等方面与通常意义上的预应力混凝土梁有较大的区别，斜截面的抗剪强度的检算仍宜按照普通混凝土梁计算.

预应力混凝土梁经加固后的剪应力、主拉应力和斜截面抗剪强度的计算，仍可以按《桥规》关于预应力混凝土结构的规定来计算。

4算例

4.1钢筋混凝土梁

对跨度是20m的钢筋混凝土梁，利用D35重车，进行了加固计算.基本数据如下：b1＝190cm，b＝24cm，h＝220cm，h1＝14cm，h0＝208cm，Ag＝273.44cm2，Eg＝Ey=2.0×105MPa，［σg］＝130MPa,350号混凝土，［σW］＝12.3MPa，n=10,D35重车的换算均布活载（一片梁）q＝91.25kN/m，恒载集度p＝55.3kN/m.

加固前的检算结果（跨中截面）：受压区高度x＝94.7cm；σg＝153.5MPa>［σg］；σh＝8.7MPa≤［σW］.钢筋应力已超过容许值.

采用体外索进行加固，布置见图1所示.hy＝230cm，e1＝10cm，e2＝135.3cm.按上述的方法反复计算后，取体外索是4根75钢丝束，其Rjy=1600MPa，Ay＝5.50cm2，σye＝850MPa.

加固后的检算结果为（跨中截面）：受压区高度x＝100.7cm；σg＝107.2MPa≤［σg］；σh＝11.2MPa≤［σW］；ΔN＝24.9kN；σy＝σye＋Δσy＝895.2MPa≤0.6Rjy＝960MPa.满足要求.

4.2预应力混凝土梁

对跨度是24m标准设计的预应力混凝土梁（叁标桥2019），利用D35重车，进行了加固计算.基本数据为：b1＝192cm，b＝24cm，h＝210cm，h1＝15.5cm，Ey＝2.0×105MPa，Ay0＝65.97cm2，Rjy＝1500MPa，450号混凝土，Ra＝31.5MPa,R1＝2.8MPa，Eh＝3.4×104MPa，D35重车的换算均布活载（一片梁）q＝95.38kN/m，恒载集度p＝53.86kN/m.

加固前的检算结果（跨中截面）：使用荷载的情况下，混凝土的下缘应力σh＝-5.32MPa(拉)，不满足；破坏阶段的受压区高度x=15.3cm，强度安全系数K=1.56<2，不满足.

使用体外索加固，布置见图1所示.按上述方法反复计算后，体外索使用2束6×75高强度、低松弛、无粘结的钢铰线，hy＝200cm，Ay＝17.16cm2，Rjy＝1767MPa，Ey=1.9×105MPa，σye＝950MPa.

加固后的检算结果为（跨中截面）：使用荷载的情况下，混凝土下缘的应力σh＝0.46MPa(压)，ΔN＝132.1kN，σy＝σye＋Δσy＝1025MPa,<0.6Rjy＝1060MPa,满足要求.破坏阶段的受压区高度x＝21.6cm，强度安全系数K=2.01>2，满足要求.

5结语

体外索加固铁路的混凝土简支梁，具有加固、减小结构内力和卸载的三重效果.此法概念明确、切实可行，是一种值得加以推广的旧桥加固的技术，但是仍需要对体外索的极限应力、体外索的疲劳和防护及转向块的合理构造等问题进行更深一步的研究.

参考文献：

【1】裴杰,邓宗才,杜修力.体外预应力CFRP筋局部加固混凝土梁的研究[J].高科技纤维与应用.2006(02)

【2】GB50367-2006.混凝土结构加固设计规范[S].2006

【3】熊学玉著.体外预应力结构设计[M].中国建筑工业出版社,2005