【工程技术】重载铁路桥梁体外预应力加固技术

重载铁路运输从上世纪年代末首先在美国开行， 之后在世界范围内得到迅速发展， 其运输能力也不断攀升并刷新纪录。我国自第一条重载铁路大秦线建成以来， 运量几经提升，从最初的年运量万提升到年亿的年设计运量， 进而年达到亿年运量已达亿吨，已经形成了大运量、高轴重、高密度的运输模式。此外， 除已有重载铁路需要进一步增加运能以满足经济不断发展对运输量的要求外， 从世纪年代以来，在既有路网推行重载列车技术， 在一些主要繁忙干线上组织幵行重载列车， 大幅提升了运输能力。随着“ 四纵四横” 客运专线网络建设的不断推进和逐渐完善， 既有客货混运线路将逐步提升改造为以货物运输为主的重载铁路。针对增加轴重既有桥梁出现承载力不足的问题， 可以釆取两种方式解决： 一种是换梁或拆除重建； 另外一种是进行承载力提升加固。前一种方式需要大投资，施工耗时， 对交通运输影响大； 而后一种方式具有投资小， 施工时间短， 对交通运输影响小的优点， 因此采用桥梁加固方式是解决承载力不足问题的最佳选择。体外预应力加固方法已在国内外众多公路桥梁加固工程中应用， 采用这种方法可以有效地解决桥梁承载力不足的问题。目前体外预应力加固法在铁路桥梁加固上应用很少和研究不足， 因此开展对重载铁路桥梁体外预应力加固法的研究，对推动体外预应力技术在重载铁路桥梁加固领域的应用， 促进我国重载铁路运输能力的进一步发展， 更好地服务我国经济具有重要的意义。

（1）常用加固方法

为提高既有混凝土桥梁的抗疲劳性能，改善振动性能喝提升活载贮备量，必须对其进行承载力提升加固。目前，常用提升承载了的加固方法主要有一下几种：

1，体外预应力加固法

体外预应力加固法是把具有防腐保护措施的金属体外索或筋以及纤维增强塑料布置在梁体的外部， 通过预加体外预应力抵消部分外荷载产生的弯矩和剪力， 从而提高梁体承载力的主动加固方法。这种加固方法改变了梁体原有结构的受力状态和内力分布， 具有加固、卸荷、改变结构内力的三重功效， 从而达到提高桥梁承载力， 改善结构抗裂和耐久性的目的， 对桥梁承载力的提升幅度可达到。这种加固方法是提高桥梁承载能力加固方法中最简单、最经济的一种方式，具有以下优点： 

①适于大、中跨度桥梁加固； ②易于检查、可维修、可替换， 预应力大小可迅速方便地调节； ③体外筋与梁体仅在锚固区和转向区相连接， 只在局部接触区有摩擦损失， 预应力总损失量较小； ④能有效地提髙桥梁的刚度、极限承载力以及抵抗荷载应力疲劳作用， 能减小跨中烧度， 改善振动性能； ⑤ 可大规模的应用到桥梁的加固工程， 加固体系易实现批量生产； ⑥加固费用比较低；⑦加固施工耗时短， 对交通影响小； ⑧对桥梁自重增加量可忽略， 不增加墩台承载作用； ⑨加固施工对既有桥梁损伤小； ⑩便于在体外预应力体系上安装传感元件， 以满足对预应力和桥梁结构长期实时健康监测的需求。但也存在一些缺点：

①体外索只在锚固区和转向区与梁体连接， 一旦连接部位失效后果很严重， 因此对这两个部位的安全可靠性要求高； ②在这两个区域还存在较大的应力集中， 受力状况比较复杂， 给设计计算分析造成一定的困难； ③转向块与体外索间长期摩擦作用易损伤索体， 降低体外索使用寿命； ④ 体外预应力加固体系暴露的自然环境中， 易受侵烛、火灾、机械破坏作用； ⑤ 体外索与梁体间存在变形不协调， 极限状态下受力变形较复杂， 造成精确计算困难或过于繁琐。

2，粘贴碳纤维或钢板加固法

这种加固方法是在梁体受拉区通过粘贴碳纤维或钢板来承担部分拉应力， 提

高了梁体刚度， 改变了桥梁结构的应力分布状态， 从而提高了桥梁抗弯承载能力。优点是： 设计简单、易施工、施工周期短、现场作业量小、自重增加小、对原结构损伤小或无损伤、加固费用小等。其中粘钢加固法对桥梁的抗弯承载力可提升20%-30%，到刚度可提升5%到15%。这种加固方法属于被动加固法， 即在桥梁施加活载前粘贴材料无应力的分布；施加活载后的正常使用阶段， 粘贴材料中虽产生应力， 能承担部分荷载作用， 但应力水平较低， 补强材料强度不能充分发挥， 强度利用率低； 只有在原梁受拉区钢筋接近屈服或屈服后， 即达到极限破坏状态时， 才能产生较大应力， 但补强材料自身常达不到极限状态。因此这种方法对桥梁正常使用阶段的承载力提升幅度有限， 在实际加固工程中多用来做承载力恢复性的加固； 而且这种加固方法对梁体刚度提高不大， 不能明显减小活载作用下梁体的变形， 这与铁路桥梁对刚度要求高的特点是不相宜的； 为提高加固效果， 施工需中断交通， 只有当粘接树脂具有足够强度后才能开放交通， 中断时间取决于施工的速度和粘接树脂的强度增长速率， 对交通影响较大； 此外采用钢板时需考虑防腐， 后期维护的费用较髙， 且钢板刚度较大， 粘接面易脱空， 因而抗疲劳性能较差； 釆用碳纤维材料虽防腐性能好， 但不宜在温度较高或易发生火灾环境下使用。

3，增大截面及配筋加固法

通过在梁体的底面、侧面或桥面上布设钢筋并绕注混凝土与旧混凝土面连接

的方式增大承载截面积， 提高截面惯性矩或受弯刚度， 从而减小梁体受载时的最大拉应力， 或保持最大拉应力不变时可以提高承载能力， 最终达到加固补强的目的。这种加固方法也属于被动加固方法， 原截面需承担加固前后所有的自重， 原截面拉区和压区钢筋及混凝土在桥梁未受活载作用时已经存在一定的应力或应变， 而截面增加部分只承担部分活载作用。这种加固方法的优点是加固后结构耐久性好， 后期维护费用低， 可提高界面刚度、改变自振频率； 缺点是现场施工复杂， 质量控制困难， 对交通影响较大， 加固效果受桥梁原有结构的影响较大， 增加截面的自重会加大堪台的负担， 新旧混凝土界面区连接性能较差， 缺陷较多。

（2）不同加固方法的对比

对重载铁路运输选择合适的桥梁加固方法应满足以下几方面的要求：

首先， 必须保证对正常运输影响尽可能小。鉴于我国重载铁路运输非常繁忙，

中断交通造成的直接经济损失是巨大的， 故以不中断交通最佳。从这一点考虑最佳选项为体外预应力加固方法， 而且由于张拉占用时间很短， 如果措施得当完全可以利用开天窗时间进行， 这样可以把对交通影响降到最低。其次， 加固效果方面的要求。从加固后桥梁的安全性来说晓度应尽可能的小，应满足《桥规》要求， 以避免过大下晓增加列车脱轨的风险； 而且铁路活载占比大， 对桥梁刚度要求较高； 从承载力角度看， 保证足够的承载力是桥梁加固的最基本要求。因此从烧度角度选择加固方法的次序为： 体外预应力增大截面及配筋〉粘贴碳纤维或钢板； 从刚度角度选择加固方法的次序为： 增大截面及配筋体外预应力〉粘贴碳纤维或钢板； 从承载力角度选择加固方法的次序为： 体外预应力增大截面及配筋粘贴碳纤维或钢板。再次， 施工工艺和成本方面的要求。所选施工工艺在保证质量的前提下越简单越好， 加固成本越低越好。从施工工艺角度选择加固方法的次序为： 粘贴碳纤维或钢板体外预应力增大截面及配筋； 从成本花费角度来看， 粘贴碳纤维或钢板的加固成本最低是最佳选择， 但从总成本考虑， 即包括中断交通对铁路运输造成的损失， 仍然是体外预应力加固方法最低。几种加固方法之间的对比列入表， 结合以上铁路混凝土桥梁对加固方法的要求及不同角度地比较， 可以得出体外预应力加固法是重载混凝土铁路桥梁承载力提升加固的最佳方法。

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