鐵路重載運(yùn)輸條件下蓋板涵加固技術(shù)

楊心怡，劉吉元，蘇永華，朱希同

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

鐵路重載運(yùn)輸條件下蓋板涵加固技術(shù)

楊心怡，劉吉元，蘇永華，朱希同

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

大軸重重載鐵路運(yùn)輸以其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢(shì)，成為大宗貨物經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)輸方式。本文以鐵路蓋板涵為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、計(jì)算分析研究了對(duì)鋼筋混凝土蓋板涵采用粘貼鋼板、增大截面、局部改建框構(gòu)、減小跨度、內(nèi)套框構(gòu)、置換框構(gòu)等加固方案的加固效果，提出了大軸重重載鐵路運(yùn)輸條件下蓋板涵加固技術(shù)可選方案。

重載鐵路 蓋板涵 加固技術(shù)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭等大宗貨物運(yùn)量與日俱增，大軸重運(yùn)輸已成為我國鐵路貨運(yùn)未來發(fā)展的大趨勢(shì)，其以運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低的優(yōu)勢(shì)，成為大宗貨物經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)輸方式。某鐵路為國家I級(jí)雙線電氣化重載鐵路，承擔(dān)著我國重要的煤炭運(yùn)輸任務(wù)。近年來，為使其具備開行大軸重重載運(yùn)輸?shù)木€路條件，對(duì)如何提高蓋板涵承載能力，適應(yīng)大軸重重載運(yùn)輸?shù)囊蟮葐栴}進(jìn)行了研究。本文以該鐵路線鋼筋混凝土蓋板涵(以下簡(jiǎn)稱蓋板涵)為對(duì)象，分析研究了大軸重鐵路重載運(yùn)輸條件下蓋板涵加固技術(shù)。

1 蓋板涵概況

該鐵路全線共計(jì)蓋板涵700余座，其中填土厚度(鋼軌底至蓋板頂高度)＜1 m的占涵渠總量的44.3% 。采用中—活載設(shè)計(jì)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖《肆橋5009》施工，該線蓋板涵凈孔0.5～6 m不等。蓋板采用200號(hào)混凝土(強(qiáng)度等級(jí)C18)和16Mn鋼筋。目前，該鐵路主要開行軸重25 t及以下的重載列車，計(jì)劃通過加固改造后開行軸重30 t重載列車。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該線大部分蓋板涵存在病害。病害主要表現(xiàn)為個(gè)別蓋板縱向開裂、蓋板端部壓潰掉角、蓋板之間縫隙滲漏水，漿砌片石邊墻開裂甚至外鼓。該線填土厚度普遍較小，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，因此病害原因主要為填土厚度小，車輛活載產(chǎn)生作用效應(yīng)大，蓋板及邊墻剛度不適應(yīng)該線當(dāng)前運(yùn)營要求。為適應(yīng)大軸重重載鐵路運(yùn)輸要求，有必要提高鋼筋混凝土蓋板的承載能力，改善蓋板支承狀態(tài)，整治邊墻外鼓開裂和滲漏水。

2 原涵檢算結(jié)果

以該線凈跨6 m蓋板涵為例，蓋板跨中厚度在蓋板頂填土厚度區(qū)間［0.38 m，3 m］，(3 m，5 m］，(5 m，8 m］內(nèi)分別為66 cm，74 cm和86 cm。蓋板主筋數(shù)量在蓋板頂填土厚度區(qū)間［0.38 m，3 m］，(3 m，5 m］，(5 m，8 m］內(nèi)分別為18根/每延米、19根/每延米、22根/每延米，主筋為16Mn鋼筋。按設(shè)計(jì)規(guī)范檢算蓋板在中—活載之特種活載(代表軸重25 t荷載水平) 與1.2ZH活載之特種活載(代表軸重30 t荷載水平)下的跨中鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力，對(duì)比檢算結(jié)果并為蓋板涵的加固改造提供依據(jù)。中—活載之特種活載、1.2ZH活載之特種活載圖式及檢算結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 活載圖式

檢算結(jié)果表明:原有蓋板在1.2ZH活載之特種活載作用下，在蓋板頂填土厚度＜1 m或＞7.5 m區(qū)間部分，鋼筋拉應(yīng)力不滿足16Mn鋼筋容許拉應(yīng)力180 MPa，混凝土壓應(yīng)力不滿足200號(hào)混凝土彎曲受壓容許應(yīng)力7.0 MPa?？芍獙?duì)于跨度6 m的蓋板涵，隨著列車軸重的增加，鋼筋拉應(yīng)力和混凝土壓應(yīng)力已超過設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，需對(duì)此區(qū)間內(nèi)的蓋板涵進(jìn)行加固，使其滿足1.2ZH活載之特種活載要求。除方案6為框構(gòu)置換外，提出以下5種加固方案，加固示意見圖3。

圖2 在中—活載之特種活載與1.2ZH活載之特種活載下檢算結(jié)果對(duì)比

圖35 種方案加固示意

方案1:蓋板粘貼鋼板。在蓋板下緣粘貼鋼板，通過錨栓、粘鋼膠與原蓋板連結(jié)。使鋼板與蓋板共同受力，以減小原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力。

方案2:增大蓋板截面。鑿除蓋板下緣鋼筋保護(hù)層，焊接新的鋼筋網(wǎng)，并澆筑自流平混凝土。使新澆混凝土與原有結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，增大蓋板豎向剛度。

方案3:局部改建框構(gòu)。拆除部分邊墻及基底漿砌片石基礎(chǔ)，綁扎鋼筋網(wǎng)，蓋板邊緣植筋或小型型鋼與新鋼筋網(wǎng)進(jìn)行焊接，澆筑混凝土，頂板附近設(shè)置倒角，增加與原蓋板的連結(jié)面積，與原蓋板形成框構(gòu)。

方案4:減小蓋板計(jì)算跨度。在邊墻上加斜撐或澆筑混凝土垛等方法減小蓋板的計(jì)算跨度。

方案5:內(nèi)套框構(gòu)。在原蓋板、邊墻內(nèi)植筋，將原蓋板涵與新加結(jié)構(gòu)牢固連結(jié)。

方案6:框構(gòu)置換。

3 加固效果理論計(jì)算結(jié)果

根據(jù)加固原理的不同，以凈跨6 m蓋板為例計(jì)算其中的粘貼鋼板法、增大截面法和減小跨度法的加固效果。對(duì)于粘貼鋼板法，選擇6 mm和8 mm兩種厚度鋼板進(jìn)行加固理論計(jì)算，鋼板按面積折算成鋼筋，未對(duì)鋼板粘貼效果進(jìn)行折減。對(duì)于增大截面法，選擇在蓋板底面新加25 cm厚鋼筋混凝土，檢算增大截面法加固效果時(shí)認(rèn)為新加結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)連結(jié)牢固共同受力。減小跨度法檢算加固效果時(shí)將原計(jì)算跨度6.25 m通過新增斜撐減為6 m。計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 凈跨6 m蓋板涵加固后在1.2ZH活載之特種活載下參數(shù)值

對(duì)比圖3和圖4可以看出，3種加固方法均能夠有效降低蓋板應(yīng)力水平。其中，減小跨度法新加結(jié)構(gòu)自重小，但加固效果對(duì)于填土厚度＜0.5 m的蓋板涵還有不足。增大截面法可以明顯降低蓋板主筋拉應(yīng)力和混凝土壓應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求，但是施工將會(huì)損傷原本存在病害的蓋板并且新加結(jié)構(gòu)將會(huì)增加蓋板結(jié)構(gòu)自重。粘貼鋼板法施工簡(jiǎn)單便利，較少損傷原有蓋板結(jié)構(gòu)，施工工藝成熟，但由于環(huán)氧樹脂膠為主要傳遞剪切應(yīng)力的加固材料，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)環(huán)氧樹脂系列粘結(jié)劑的質(zhì)量和粘貼施工質(zhì)量要求嚴(yán)格。由于較薄的鋼板更容易與原蓋板粘貼密實(shí)，綜合考慮粘貼鋼板法加固效果與施工的可操作性，認(rèn)為6 mm鋼板比8 mm鋼板更適應(yīng)加固要求。

4 結(jié)語

由本文計(jì)算結(jié)果結(jié)合具體病害情況，并參考其他重載線路蓋板涵實(shí)際加固效果，提出了重載鐵路運(yùn)輸條件下蓋板涵加固技術(shù)可選方案:

1)如蓋板涵對(duì)于空間有嚴(yán)格要求、涵上線路運(yùn)輸繁忙、蓋板底面有縱向裂縫、蓋板之間縫隙滲漏水、但邊墻狀態(tài)較好，建議采用粘貼鋼板方案加固蓋板并對(duì)蓋板之間縫隙做注膠防水處理。

2)如蓋板涵蓋板狀態(tài)較好，邊墻劣化嚴(yán)重，例如開裂甚至外鼓，可采用局部改建框構(gòu)方案，重點(diǎn)改善邊墻結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高邊墻承載能力。

3)如蓋板及邊墻狀態(tài)均較差，或蓋板涵跨度較大，交通、凈空允許，建議采用內(nèi)套框構(gòu)方案進(jìn)行加固。內(nèi)套框構(gòu)法加固效果明顯，結(jié)構(gòu)整體性好，后續(xù)養(yǎng)護(hù)方便。

4)如蓋板涵劣化較嚴(yán)重，不具備實(shí)施新框構(gòu)預(yù)制、頂進(jìn)等場(chǎng)地條件，可以考慮置換框構(gòu)方案。例如頂進(jìn)法置換蓋板涵，即將原有鋼筋混凝土蓋板涵廢棄，涵洞空間用片石混凝土或片石堆壘注漿填實(shí)，在鄰近位置頂進(jìn)新涵洞。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院.重載線路基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)化措施研究——朔黃鐵路重載橋涵結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)［D］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2014.

［2］鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院，蘭州鐵道學(xué)院.涵洞與拱橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè):混凝土橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［5］王凱.粘貼鋼板技術(shù)在留芳溝橋加固中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(12):1－3.

［6］王旭榮.大秦鐵路蓋板涵病害分析和加固措施研究［J］.中國鐵路，2011(8):56－59.

Reinforcing technology of concrete slab culvert under heavy haul railway

YANG Xinyi，LIU Jiyuan，SU Yonghua，ZHU Xitong
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Heavy haul railway with large axle loads is more appropriate for freight transportation trainloads，due to its larger transport capacity，higher efficiency and lower transportation costs.In this paper，reinforced concrete slab culvert in railway is studied through site investigation，calculation and analysis.Corresponding strengthening methods are presented including reinforcement with steel plate，increase of cross－section，local frame reconstruction，shortening of span，reinforcement with inner sleeve frame，and replacement of frame and so on.

Heavy haul railway;Slab culvert;Reinforcing technology

U449.82

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.15

(責(zé)任審編 趙其文)

1003－1995(2015)10－0073－03

2015－04－21;

2015－07－03

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG20B00)

楊心怡(1989—)，女，研實(shí)員。