化學錨栓在鐵路橋梁人行道托架加固中的應用

曾召田，謝 超，賀海洋，尹 闖，呂 華

(1.桂林理工大學廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心，廣西桂林 541004;2.廣西大學土木建筑工程學院防災減災研究所，廣西南寧 530004;3.廣西科學院編輯部，廣西南寧 530007;4.南寧鐵路局 百色工務段，廣西百色 533000)

化學錨栓作為一種施工簡單、效果可靠的新型構(gòu)件，近年來被廣泛應用于加固、改建、裝潢等工程領(lǐng)域[1-3]。其工作原理是通過高強粘結(jié)劑(一般為熱固性高分子材料)將高強螺桿與結(jié)構(gòu)本體粘結(jié)后，再通過螺帽把加固鋼板條連結(jié)固定，共同組成牢固的連接系統(tǒng)，因此具有較高的抗剪強度，能滿足動荷載作用下抗疲勞的要求，具有施工速度快、錨固力強、性能可靠、應用范圍廣等優(yōu)點。

南昆鐵路所經(jīng)地區(qū)地質(zhì)條件極為復雜，地形極其險峻。百色工務段轄區(qū)內(nèi)共有270座混凝土橋梁，橋梁建成并投入運營已有十余年，近年來人行道托架不斷發(fā)生U型螺栓折斷的現(xiàn)象[4]。螺栓是人行道托架錨固的唯一部件，U型螺栓的折斷將導致人行道托架外傾、橋上混凝土步行板墜落，直接危及行人安全。課題組在調(diào)查分析螺栓折斷原因的基礎(chǔ)上，嘗試采用FHK-VDP16化學錨栓代替U型螺栓，并且同時采用12 mm厚鋼板作為加固板與原有托架焊接，形成整體共同受力的加固構(gòu)件，探討其對病害的整治效果。

1 U型螺栓折斷病害原因及整治方案

1.1 病害原因分析

1)銹蝕失效

混凝土橋梁人行道托架長期暴露于大氣中，U型螺栓經(jīng)常受到日曬雨淋，逐漸氧化銹蝕失效。

2)受力過大

《混凝土橋》[5]中，將U型螺栓作為一個承受軸向力和剪力的構(gòu)件進行計算，其承受的軸向拉力RH和剪力RV分別為

式中:M為作用于人行道的全部荷載對螺栓的力矩，h為U型螺栓中上下螺栓的間距，V為作用于人行道上的全部豎向荷載。

人行道托架為懸臂結(jié)構(gòu)，1.5 m寬混凝土步行板的重量導致托架力矩M過大。根據(jù)式(1)、式(2)可知，螺栓承受的拉力RH和剪力RV過大，在其長期作用下，螺栓將逐漸破壞失效。

3)振動疲勞

列車通過橋梁時引起很大的振動，人行道托架隨橋梁的振動而上下擺動，致使固定托架用的螺栓反復承受很大的剪切應力，從而導致螺栓中出現(xiàn)局部高應力區(qū)。在這種交變應力作用下，較弱的晶粒產(chǎn)生疲勞破壞形成微裂紋，逐步發(fā)展為宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴展最終導致脆斷[4]。因此，鐵路橋梁人行道托架的U型螺栓在列車荷載作用下，經(jīng)受著反復動力作用。這是導致螺栓破壞的主要原因。

1.2 病害整治方案

在分析了混凝土橋梁托架U型螺栓折斷的原因后，課題組提出3種方案加固人行道托架。

方案1:用鐵葫蘆將外傾的人行道托架調(diào)回原位，將折斷的螺栓與豎向角鋼焊接起來。

方案2:將原有托架鋸斷拆除，在其附近另選位置鉆孔安裝。

方案3:利用FHK-VDP16化學錨栓代替U型螺栓，同時采用12 mm厚鋼板作為加固板與原有托架焊接，形成共同受力的加固構(gòu)件，見圖1。

圖1 人行道錨固系統(tǒng)示意

方案1因螺栓余下的部位露出梁體長度過短，焊接后受力面積小，易脫焊。方案2施工困難，且破壞原有托架的整體結(jié)構(gòu)，鉆孔時易碰到梁體內(nèi)鋼筋，不但費工費時，也易損傷梁體。方案3不但經(jīng)濟而且效率很高，養(yǎng)護時間短(1 h)，施工工藝較為簡單，安裝方便，有較大的承載力，并且可在潮濕的環(huán)境下施工，對基材不產(chǎn)生膨脹力。

通過從經(jīng)濟、施工、實際效果等各方面綜合比較，確定采用方案3對橋梁人行道托架進行加固處理。

2 化學錨栓

2.1 材料組成

化學錨栓一般由化學膠管、螺桿、墊圈和螺母組成，如圖2所示。

圖2 化學螺栓的材料組成

化學膠管由膠粘劑、固化劑和骨料等加工而成。膠粘劑成分大多為環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨脂樹脂等熱固性高分子材料[6]。不同的膠粘劑對應不同的固化劑(使膠粘劑在一定外界條件下由液態(tài)變成固態(tài)的材料)。骨料大多由石英砂組成(采用玻璃膠管時，玻璃破碎后成為骨料)。螺桿一般有鍍鋅鋼(5.8級、8.8級)和不銹鋼兩種。

2.2 加固原理

如圖3所示，通過高強膠粘劑將高強螺桿與結(jié)構(gòu)本體粘結(jié)后，再通過螺帽將其連結(jié)固定。高強膠粘劑利用粘著和鎖鍵的作用產(chǎn)生固結(jié)力，與具有很高抗剪強度的高強螺桿共同組成牢固的連接系統(tǒng)，滿足設(shè)計與施工的要求。

圖3 化學粘結(jié)錨栓結(jié)構(gòu)示意[7]

3 人行道托架加固施工流程

3.1 加工鋼板

預先加工好鋼板，每個托架需用2塊鋼板(N1和N2，厚12 mm，呈L形)，分別于托架兩側(cè)貼緊加固，粘貼面尺寸為30 cm×30 cm，在其對角線位置上鉆2個化學螺栓孔。鋼板實物和展平圖見圖4。

圖4 鋼板實物與展平圖

3.2 搭設(shè)工作平臺

將需加固的人行道托架范圍內(nèi)的人行道步行板拆除，運送至橋臺外堆放穩(wěn)固，如整治全橋，則不能同時拆除同一橋跨內(nèi)的左右兩側(cè)步行板;如單側(cè)拆除則不能超過兩跨。

沿線路方向每隔3 m用鋼管鉤由外側(cè)插入線路鋼軌底部，鋼管鉤端頭偏向線路中心一側(cè)距離鋼軌至少1 m，鋼管鉤與鋼軌軌底接觸的地方用卡子卡住，以防鋼管左右竄動。

鋼管鉤搭設(shè)好后，將事先彎制好的φ22鋼筋U形鉤掛在鋼管鉤上，每隔3 m掛一個，再將50 mm厚的木板并排平鋪在鋼筋U形鉤上，各木板間以扒釘聯(lián)結(jié)牢固作為工作平臺，平臺下方掛安全網(wǎng)，并在鋼管鉤上系牢。

3.3 清潔貼合面

清潔混凝土梁體和鋼板的貼合面。首先，鑿除梁體外側(cè)貼合面上已疏松的混凝土，用鋼絲刷清理貼合面，除去灰塵、水泥翻沫、不牢固的砂粒;用潮濕的棉紗擦拭一遍貼合面，清除浮塵并徹底晾干。若有油污，要用棉紗蘸丙酮清除。其次，手持角向砂輪機將鋼板的粘貼面打磨除銹，并用棉紗蘸丙酮擦拭。

3.4 定位鉆孔

在需要加固的人行道托架的擋砟墻梁體外側(cè)定好位置(利用鋼板上的化學螺栓孔在梁體上定位)，然后在相應梁身部位上鉆孔，注意不要碰到梁體內(nèi)的鋼筋。

鉆孔完畢后，先用毛刷深入孔中清渣，再用氣管將孔中灰塵吹出，要求孔內(nèi)干燥、干凈無物。

3.5 植入粘結(jié)劑

將裝有粘結(jié)劑的藥劑管放入注射器內(nèi)，將粘結(jié)劑噴射入梁體上已打好的鉆孔內(nèi)。

3.6 錨固金屬桿

用專用夾具將金屬螺栓固定在電鉆上，用最低的轉(zhuǎn)速(640～750 r/min)塞入孔內(nèi)。此時屬凝膠過程，需保持安裝工具不動，所需時間隨溫度而定，見表1。

表1 粘結(jié)劑凝結(jié)時間

3.7 焊接支架

待FHK-VDP16化學錨栓達到承載強度后，方可將鋼板的另一端焊接在既有人行道支架角鋼上，焊接前應把既有人行道支架角鋼上焊接處的油漆清除干凈。

3.8 涂裝油漆

涂裝前除銹應達到手工除銹二級標準，油漆應做二底三面處理，符合涂裝要求。加固施工完畢后的托架見圖5。

圖5 加固施工完畢后的人行道托架

3.9 拆除工作平臺

拆除安全網(wǎng)、木板、鋼筋U形鉤、鋼管鉤等，并恢復人行道步行板。

4 結(jié)語

從2010年起，課題組采用該方法依次加固了南昆鐵路的白水河二號、大章古一號、大章古三號、大海子二號、豬場四號等混凝土橋人行道托架，完工后多次進行復查，各部結(jié)構(gòu)到目前為止均完好，病害得到了良好整治。

橋梁托架加固實施時，應盡量減少因環(huán)境腐蝕和鋼板應力集中給加固鋼板帶來的損傷。采用化學錨栓施工時，最好利用封鎖時間，或盡量利用列車運行間隔時間進行，以減小列車振動帶來的影響。

[1]賴有志，祁新，任世景.化學錨栓后置埋件技術(shù)在軍博工程中的應用[J].施工技術(shù)，2009，38(10):48-50.

[2]藍建勛.化學錨栓在建筑幕墻工程中的應用技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2006，37(9):681-683.

[3]闕明，項家琪.化學錨栓在隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛工程中的應用[J].電氣化鐵道，2004(4):21-23.

[4]曾召田，葉木華，李可東，等.南昆線混凝土橋梁人行道錨固螺栓病害分析及整治[J].鐵道建筑，2009(2):12-14.

[5]鐵道部專業(yè)設(shè)計院.混凝土橋[M].北京:中國鐵道出版社，2000.

[6]賀曼羅.建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑施工應用技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社，2001.

[7]張亞挺.新型錨固材料——化學錨栓在工程中的應用[J].江蘇建筑，2003(4):28-30.