六四式鐵路軍用梁預應力加固影響因素分析

馬 遙，陳士通，趙 曼，李 鋒

(1.石家莊鐵道大學 河北省交通應急保障工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

近年來，我國鐵路正向著“客運高速、貨運重載”的方向不斷發(fā)展，列車軸重和運營速度的增大對橋梁的承載能力提出了更高的要求[1-3]。六四式鐵路軍用梁(以下簡稱“六四梁”)作為一種鐵路搶修鋼橋器材，具有結(jié)構(gòu)輕便、構(gòu)造簡單和架設迅速的特點，是我國用于戰(zhàn)爭和自然災害發(fā)生后橋梁搶修的主力梁型。但六四梁設計年代較為久遠(于1964年設計定型)，設計荷載等級較低，已難以滿足當前高速、重載鐵路的搶修要求[4]。因此，對六四梁進行加固以提高其承載能力已成為亟待解決的問題。

采用體外預應力束加固橋梁是已成熟的一種簡便、高效和經(jīng)濟的加固方式。它將高強度鋼絞線作為預應力的載體，通過預應力產(chǎn)生的反彎矩抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力[5-8]。目前，預應力加固技術(shù)在工程加固領(lǐng)域應用廣泛，并取得了良好的效果[9-11]。該技術(shù)同樣適用于六四梁的加固，但加固效果可能因工況變化導致一定的差異。為使預應力技術(shù)適應不同工況下的六四梁加固需求，有必要對影響加固效果的因素進行分析，探究其影響規(guī)律以確保六四梁的應急使用。

本文以32 m跨度的雙層六四梁為研究對象，采用設有撐桿的折線形加固方案，從鋼梁的受力狀況和豎向撓度2個方面，分析預應力、荷載、撐桿長度對加固效果的影響，并探究其內(nèi)在變化規(guī)律。

1 加固方案與模型建立

六四梁的體外預應力加固可以采用多種布索方式，直接布索(不設撐桿)的加固方式對六四梁承載能力的提升效果有限，故本文采用雙撐桿的折線形布索方式進行研究。

根據(jù)六四梁承受豎向荷載時的受力特點，可將預應力索置于鋼梁下側(cè)，使預應力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。為了最大程度地約束鋼梁下?lián)希瑢螚U對稱設置于鋼梁下側(cè)距跨中1 m處，撐桿長度設為0.5 m[12]。預應力索連接撐桿且錨固于鋼梁兩端，如圖1所示。

注：細實線表示鋼梁，粗實線表示撐桿，虛線表示預應力索。

雙層式六四梁主要構(gòu)件包括標準三角、端構(gòu)架和撐桿，各構(gòu)件為全焊結(jié)構(gòu)，采用銷接組裝。本文以32 m 跨雙層六四梁為對象，根據(jù)六四梁結(jié)構(gòu)受力特點，假定各片主梁均勻承載，故使用ANSYS建立單片模型。建模過程中采用梁單元模擬鋼梁，桿單元模擬預應力索。將預應力索與鋼梁和撐桿的連接視為鉸接，不考慮實際錨固裝置和轉(zhuǎn)向裝置的影響。

荷載工況考慮自重+列車荷載作用，列車荷載采用中—活載(2005)ZH標準，荷載系數(shù)取為1.2，并按最不利工況進行加載。六四梁組成按6片主桁考慮，此處取荷載的1/6施加在模型上。分析時采用工程中常用的φ15.24 mm鋼絞線作為預應力索，張拉控制應力取 1 000 MPa，則初始預應力為182.41 kN。采用初始應變法對預應力索施加預應力，通過改變索的數(shù)量來施加不同大小的預應力。為探究各影響因素對加固效果的影響規(guī)律，整個分析過程僅在材料線彈性范圍內(nèi)進行。

2 未加固鋼梁受力狀況和豎向撓度分析

由有限元分析可知，自重和列車荷載作用下未加固鋼梁中各桿件的受力狀況見表1。此外，鋼梁跨中豎向撓度為80.248 mm，超過相關(guān)規(guī)范要求的限值。

表1 未加固鋼梁的受力狀況

由表1可以看出，作為主要承載桿件的上、下弦桿的應力水平很高，且接近容許應力，其最大正應力位于靠近跨中的位置，對鋼梁承載能力起控制作用。受支座反力的影響，端部的斜拉桿和端壓桿也具有較高的應力水平，對結(jié)構(gòu)安全的影響明顯。鋼梁中其余桿件的應力較小，具有較大的安全儲備。因此，加固方案提升鋼梁承載能力的關(guān)鍵在于改善弦桿的受力狀況和降低端部桿件的應力水平。

3 影響因素對加固效果的影響分析

加固方案在不同工況下的加固效果可能存在差異，本文對可能影響加固效果的預應力、荷載及撐桿長度3種因素進行分析，探究其對加固效果影響的一般規(guī)律，為加固方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

六四梁為拼裝式結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件可互換安裝，故跨中上、下弦桿受力及豎向撓度是判定六四梁結(jié)構(gòu)是否安全的主要控制因素，以圖1所示加固方案為研究對象，以跨中弦桿應力和豎向撓度為評判指標分析各影響因素對加固效果的影響。

3.1 預應力對加固效果的影響

為確定合理的預應力施加值，以圖1所示六四梁結(jié)構(gòu)為對象，提取不同預應力作用下，上、下弦桿最大正應力和跨中豎向撓度進行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 預應力對加固效果的影響

分析表2可知：①隨著預應力的增大，加固方案中弦桿應力和豎向撓度均呈下降趨勢，即可通過增大預應力不斷提升加固效果。但隨著預應力的增大，弦桿應力和豎向撓度的下降速率也呈現(xiàn)下降趨勢，工程應用時應予以注意。②加固方案對下弦桿應力的影響明顯大于上弦桿，這種不協(xié)調(diào)性可能導致加固時上弦桿應力水平處在較高的情況下，而下弦桿已進入受壓狀態(tài)，嚴重時可能出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，故加固實施時應綜合考慮上、下弦桿的應力變化，以確定加固所需的預應力大小。

3.2 荷載對加固效果的影響

本文采用6片主桁的六四梁和特定列車荷載進行分析，而實際搶修時，不同的六四梁拼組和荷載工況可能導致結(jié)構(gòu)所受荷載的變化。此外，在我國鐵路高速、重載的發(fā)展趨勢下，列車荷載仍有提升的可能。因此，有必要研究荷載變化對加固效果的影響。列車荷載提升0～20%時，弦桿應力和跨中豎向撓度的變化，分別如表3和表4所示。

表3 弦桿最大正應力隨荷載的變化 MPa

表4 跨中豎向撓度隨荷載的變化 mm

由表3和表4可知，①荷載的變化對弦桿應力和跨中豎向撓度的影響明顯。②不同荷載等級下，弦桿應力和豎向撓度隨預應力的變化趨勢相近，故預應力對弦桿應力和豎向撓度的影響與荷載的關(guān)系較小。③隨著預應力的增大，弦桿應力和豎向撓度隨荷載的變化速率逐漸減小，這表明，此加固方案可以減小荷載提升對弦桿應力和豎向撓度造成的不利影響。④隨著荷載的提升，弦桿應力和豎向撓度隨預應力的變化速率逐漸增大，由此可知，荷載越大該方案的加固效果越明顯。

3.3 撐桿長度對加固效果的影響

加固方案通過在鋼梁端部和撐桿位置施加預應力達到加固目的。預應力一定時，增大撐桿長度，可使作用在端部的有效預應力減小，作用在撐桿的有效預應力增大，從而對加固效果產(chǎn)生一定的影響。在模型中，預應力大小取547.2 kN，分析撐桿長度0.1～0.3 m以0.1 m為模數(shù)變化時對弦桿應力和跨中豎向撓度的影響，見表5?？芍S著撐桿長度的增大，上、下弦桿最大正應力和跨中豎向撓度逐漸減小，且平均降幅分別為1.72%，4.75%和2.41%，說明撐桿長度變化對下弦桿最大正應力的影響最為明顯，跨中豎向撓度次之，對上弦桿最大正應力的影響較小。因此工程應用時應根據(jù)加固需求合理確定撐桿長度。

表5 不同撐桿長度對鋼梁的影響

4 結(jié)論

本文以32 m跨雙層六四梁為研究對象提出了設有撐桿的折線形加固方案，從弦桿應力和跨中豎向撓度2個方面分析了預應力、荷載和撐桿長度的變化對加固效果的影響，得出了以下結(jié)論：

1)設有撐桿的折線形加固方案可明顯降低鋼梁弦桿應力和豎向撓度，但隨著預應力的增大，弦桿應力和豎向撓度的下降速率也隨之減小。

2)不同荷載作用下，弦桿應力和豎向撓度均隨預應力的增大呈現(xiàn)相似的下降趨勢，但隨著荷載的增大，其下降速率也逐漸增大。此外，預應力越大，弦桿應力和豎向撓度隨荷載的變化速率越小。

3)預應力一定時，增大撐桿長度，可明顯降低弦桿應力水平和跨中豎向撓度，其中對下弦桿最大正應力的影響最為明顯，跨中豎向撓度次之，對上弦桿最大正應力的影響較小。

本文研究了常見的3種因素對加固效果的影響規(guī)律，對于實際搶修中確定加固方案和預應力大小具有一定意義。此外，文中的加固方案可改善弦桿的受力狀況，但對端部桿件的影響有限，針對不足之處，可進一步加以研究，以探尋更優(yōu)的解決方案。