嵌套框架涵法加固鋼筋混凝土蓋板涵研究

高鵬飛，張錦凱，陳 浩，馬先坤

(長安大學(xué)，陜西 西安 710000)

嵌套框架涵法加固鋼筋混凝土蓋板涵研究

高鵬飛，張錦凱，陳 浩，馬先坤

(長安大學(xué)，陜西 西安 710000)

以寶中線K279+848處跨徑為3 m鋼筋混凝土蓋板涵的加固設(shè)計(jì)為例，介紹在不影響正常鐵路交通運(yùn)營的情況下，在既有蓋板涵內(nèi)部現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架涵進(jìn)行加固的方法。推導(dǎo)了嵌套鋼筋混凝土框架涵的理論計(jì)算公式，運(yùn)用ANSYS軟件建立了本工程框架涵的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析其受力性能，進(jìn)而為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

鋼筋混凝土蓋板涵；鋼筋混凝土框架涵；涵洞加固

1 現(xiàn)澆嵌套框架涵法加固蓋板涵方法概述

1.1 現(xiàn)澆嵌套框架涵加固方法簡介

現(xiàn)澆施工嵌套框架涵法加固鋼筋混凝土蓋板涵是指在既有鋼筋混凝土蓋板涵內(nèi)部采用現(xiàn)澆施工的方法嵌套鋼筋混凝土框架涵來加固蓋板涵的方法。嵌套框架涵形式主要有“□”形鋼筋混凝土框構(gòu)和鋼筋混凝土“門”形兩種形式，不同框架結(jié)構(gòu)形式的選擇與鋼筋混凝土蓋板涵凈高有關(guān)，當(dāng)凈高滿足要求時(shí)，宜優(yōu)先選用“□”形鋼筋混凝土框構(gòu)。

施工時(shí)首先將既有蓋板涵底面，鋼筋銹蝕、混凝土剝落、酥松、污垢等去除干凈；將既有蓋板涵涵洞底部淤泥等雜物清除，直到露出涵洞底部漿砌片石等填充材料為止；在此基礎(chǔ)上綁扎鋼筋，設(shè)立模板，澆筑混凝土，澆注混凝土應(yīng)從中間向兩邊逐步澆注；待頂板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，在框架涵頂板與既有蓋板涵底板之間采用人工填搗干硬性混凝土，擠壓密實(shí)，確保蓋板涵傳力的有效性。為了保證框架涵頂板與既有蓋板涵底板之間填充密實(shí)，既有蓋板在動(dòng)載作用下不產(chǎn)生撓度，所以在保證施工空間的情況下應(yīng)適當(dāng)控制并盡量減小框架涵頂部與原蓋板之間的距離，如果框架涵頂部預(yù)留距離過大，后加固框架涵難以發(fā)揮作用，可能導(dǎo)致加固失敗。

1.2 各種加固方法的比較分析

既有鋼筋混凝土蓋板涵的加固方法主要有更換既有鋼筋混凝土蓋板、頂進(jìn)框架涵加固法和現(xiàn)澆框架涵加固法。

更換鋼筋混凝土蓋板是指將裂損嚴(yán)重、承載力降低的普通鋼筋混凝土蓋板用新預(yù)制的質(zhì)量可靠的鋼筋混凝土蓋板更換，它可以確保蓋板質(zhì)量、顯著提高蓋板承載力、不影響涵下凈高等特點(diǎn)，但缺點(diǎn)是對(duì)運(yùn)輸繁忙的鐵路線干擾很大，需要中斷交通。

頂進(jìn)框架涵加固法是指，在涵洞出口或入口設(shè)立預(yù)制廠，預(yù)制框架涵節(jié)段，并在涵洞軸線后方設(shè)立反力裝置，用千斤頂逐段頂進(jìn)。頂進(jìn)橋涵適用于運(yùn)輸繁忙的營業(yè)線上，他在保證列車安全運(yùn)行的條件下，以最快的速度將涵洞頂進(jìn)原有蓋板涵中，設(shè)計(jì)時(shí)按結(jié)構(gòu)形式、尺寸、施工場(chǎng)地、工程地質(zhì)等情況進(jìn)行工藝選擇。頂進(jìn)框架涵法施工不需要中斷交通，適應(yīng)于交通繁忙的運(yùn)輸線路。

現(xiàn)澆嵌套框架涵法對(duì)既有蓋板涵之外的空間沒有特殊要求，適宜于不利于開展預(yù)制工作的溝谷地帶，框架涵側(cè)板與既有蓋板涵側(cè)墻聯(lián)系緊密，框架涵頂板與既有蓋板間空隙填充密實(shí)度有保障，并且不需要中斷交通，加固效率高，加固效果可靠。

2 病害描述及原因分析

2.1 主要病害描述

(1)防水層失效，蓋板、涵臺(tái)頂帽等部位出現(xiàn)滲水；

(2)涵臺(tái)或涵身下沉，造成一定的沉降裂縫；

(3)蓋板保護(hù)層脫落，鋼筋銹蝕嚴(yán)重；

(4)漿砌片石砌縫砂漿風(fēng)化，脫落；

(5)涵臺(tái)和蓋板存在不同程度的裂縫，裂縫寬度從0.1～2 mm,裂縫的存在不僅嚴(yán)重影響蓋板的承載力，并且影響蓋板的耐久性，使蓋板病害進(jìn)一步惡化。

2.2 病害原因分析

(1)軌道狀況惡化的影響

軌道狀況惡化主要表現(xiàn)為道床板結(jié)變形和道床沉陷變形。道床板結(jié)變形主要是由既有線行車密度加大、貨運(yùn)重載化等因素引起。由于交通運(yùn)輸量不斷增加，道床板結(jié)速度不斷加快,這種的不均勻“硬化”導(dǎo)致了道床傳遞給鋼筋混凝土蓋板的活載不均勻，并且同時(shí)也加大了列車的沖擊力。道床沉陷變形主要是由于貨運(yùn)重載化和列車提速引起，道床發(fā)生沉陷變形導(dǎo)致線路發(fā)生嚴(yán)重變形，進(jìn)而影響到其下的鋼筋混凝土蓋板涵。

(2)蓋板疲勞和荷載的影響

鋼筋配筋率是影響鋼筋混凝土蓋板疲勞失效形態(tài)的主要因素。由于配筋率不同蓋板會(huì)表現(xiàn)為斜截面和局部壓碎疲勞破壞及彎矩正截面開裂破壞兩種破壞形態(tài)。由于荷載作用的反復(fù)沖擊，混凝土和鋼筋可能會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。

(3)涵洞墻身劣化的影響

蓋板涵洞墻身為M10漿砌片石，上端為C15混凝土頂帽。施工中混凝土振搗不夠密實(shí)，模板拆除過早及早期受凍使混凝土強(qiáng)度不足而使構(gòu)件產(chǎn)生裂縫，這種裂縫在后期荷載作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，而使裂縫寬度增大。另外，砌石墻身勾縫質(zhì)量較差。

3 加固及檢算

3.1 加固設(shè)計(jì)

以既有鋼筋混凝土蓋板涵涵內(nèi)空間為前提，根據(jù)排洪、灌溉和人畜交通的需要以及與既有蓋板涵底板之間預(yù)留的合理填充距離決定涵洞凈高；根據(jù)矩涵底板、邊墻尺寸的合理比例按混凝土和鋼筋用量同時(shí)能充分發(fā)揮材料作用及便于施工為原則，決定各部位框架涵厚度，為加強(qiáng)矩涵涵節(jié)角隅截面、減少應(yīng)力集中，在角隅處增設(shè)正三角形梗肋、梗肋尺寸是控制邊墻截面和配筋的主要因素，應(yīng)經(jīng)過計(jì)算比較而定，同時(shí)應(yīng)避免流水過多地影響水流。綜合以上因素并經(jīng)計(jì)算，本涵擬定的框架涵截面尺寸如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載、填土厚度、既有蓋板涵以及所填充的干硬性混凝土重力作用所求得的框架涵內(nèi)力如圖2所示。

圖1 框架涵截面尺寸(單位:cm)

圖2 框架涵截面彎矩圖(單位:kN·m)

根據(jù)框架涵內(nèi)力分布，涵洞內(nèi)側(cè)和外側(cè)均布設(shè)HRB335級(jí)Φ18鋼筋，鋼筋間距為100 mm,雙向拉通；在梗咽處設(shè)立局部加強(qiáng)鋼筋，并與縱向和橫向受力筋形成整體鋼筋網(wǎng)片。為爭取截面的有效高度，保護(hù)層按5 cm設(shè)計(jì)，箍筋直徑采用8 mm。

3.2 應(yīng)力及裂縫寬度檢算

(1)蓋板涵檢算理論

①鋼筋及混凝土應(yīng)力檢算方法

設(shè)中性軸至受壓邊緣的距離為x；

中性軸至軸向力N的距離y=g+x；

選用受拉區(qū)鋼筋A(yù)s；

選用受壓區(qū)鋼筋A(yù)s′。

涵頂至軌底填土高度大于0.99 m時(shí)， n采用10，則

所以：x=y-g；

混凝土壓應(yīng)力為

②裂縫寬度計(jì)算方法

其中，k1為鋼筋表面形狀影響系數(shù)，由于所用鋼筋為螺紋鋼筋，所以k1=0.8

k2為荷載特征影響系數(shù)，按下式計(jì)算

受力鋼筋直徑d ，彈性模量E；

其中，γ為中性軸至受拉邊緣的距離與中性軸至受拉鋼筋中心的距離之比,對(duì)板可取1.2。

其中：a為受拉區(qū)鋼筋重心至受拉區(qū)混凝土邊緣的距離；a′為受壓區(qū)鋼筋重心至受壓區(qū)混凝土邊緣的距離；c′為軸向力N的作用點(diǎn)至受壓鋼筋中心的距離；c為軸向力N的作用點(diǎn)至受拉鋼筋中心的距離；e為軸向力N的作用點(diǎn)至截面中心軸的距離；g為軸向力N的作用點(diǎn)至截面受壓邊緣的距離。

(2)對(duì)框架涵頂板跨中截面進(jìn)行檢算

由框架涵內(nèi)力圖圖2知，框架涵頂板跨中處的彎矩最大，對(duì)該截面進(jìn)行檢算。

經(jīng)計(jì)算:a〗8.04 cma′=6.03 cm

①計(jì)算混凝土及鋼筋應(yīng)力

c′=g+a′=1 888+6.03=1 894.03 cm

c=g+h-a=1 888+30-8.04=1 909.96 cm

中性軸至受壓邊緣的距離為x

中性軸至軸向力N的距離y=g+x則

簡化得：y3-10 646 881.92y+13 370 259 830=0

解得：y=1901.86cmx=y-g=1901.96-1 888=13.96 cm

混凝土壓應(yīng)力計(jì)算

σh=95×10-3

因此，混凝土壓應(yīng)力小于其容許應(yīng)力，滿足要求。

鋼筋拉應(yīng)力

因此，鋼筋拉應(yīng)力小于其容許應(yīng)力，滿足要求。

②裂縫寬度檢算

∴M2=32.89 kN·m ∴M3=0 kN·m

M1=M3-3-(M2+M3)=95-32.89=62.11 kN·m

因此，裂縫寬度小于其容許裂縫寬度，滿足要求。

③撓度檢算

換算截面的受壓區(qū)高度為

不計(jì)受拉區(qū)混凝土的換算截面的慣性矩I

代入數(shù)據(jù)得

因此，最大撓度小于其容許撓度值，滿足要求。

4 有限元分析法分析

4.1 有限元模型的建立

本文為了能夠很好地分析嵌套框架涵受力情況，對(duì)框架涵沿涵洞長度方向取1 m建立有限元模型進(jìn)行分析。建模時(shí)用使用的是ANSYS 10.0的版本，采用整體建模法建立鋼筋混凝土框架涵模型，混凝土及鋼筋均使用solid65實(shí)體單元來模擬。模型單元?jiǎng)澐殖叽鐬?0 mm,整個(gè)框架涵模型通過映射網(wǎng)格劃分共劃分為38 800個(gè)四面體實(shí)體單元,84個(gè)彈簧單元，共46 162個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖3所示。

材料特性：混凝土采用C35,彈性模量為3.15×104MPa,泊松比為0.2，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型 MISO；鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋，彈性模量為2.0×105MPa,泊松比為0.2，鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型采用雙線性等向強(qiáng)化模型 BISO。

荷載施加：本模型受力分析時(shí)將列車活荷載，填土以及鋼筋混凝土蓋板涵重力作用于框架涵。對(duì)框架涵頂板頂面施加面荷載，大小為81.9 kPa。面荷載如圖3所示。

邊界條件：框架涵邊界條件為彈性地基，并且沿涵洞橫向和縱向均不能有位移，因此地基采用combine14彈簧單元來模擬。約束的實(shí)現(xiàn)方式為從框架涵經(jīng)過網(wǎng)格劃分的所有節(jié)點(diǎn)中，選出84個(gè)均勻分布于框架涵底板底面的節(jié)點(diǎn)，將其沿Y軸反方向集體移動(dòng)20 mm,并全部固結(jié)，在相應(yīng)的上下兩節(jié)點(diǎn)間建立combine14單元，根據(jù)M法確定土彈簧剛度為1.5×104N/mm。邊界條件如圖3所示。

圖3 有限元模型及其荷載和邊界條件

4.2 有限元分析結(jié)果

框架涵混凝土應(yīng)力云圖、鋼筋應(yīng)力云圖分別如圖4、圖5所示。

框架涵頂板跨中頂面處混凝土壓應(yīng)力最大σh=8.78 MPa<16.1 MPa

框架涵頂板跨中底面處鋼筋拉應(yīng)力最大σg=47.2 MPa<280 MPa

框架涵頂板跨中處撓度最大ω=1.7 mm<4.6 mm

由有限元分析結(jié)果知：混凝土壓應(yīng)力、鋼筋拉應(yīng)力、最大撓度值，均小于其容許值，滿足要求。

理論計(jì)算值與有限元模型分析結(jié)果對(duì)比如表1。

表1 理論計(jì)算值與有限元模型分析結(jié)果對(duì)比

經(jīng)理論計(jì)算和有限元模型分析結(jié)果可知，兩者分析結(jié)果基本一致，均滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》的要求，驗(yàn)證了在既有鋼筋混凝土蓋板涵內(nèi)部現(xiàn)澆施工嵌套框架涵加固既有鋼筋混凝土蓋板涵的方法的可行性。

圖4 混凝土應(yīng)力云圖

圖5 鋼筋應(yīng)力云圖

5 結(jié) 語

近年來由于鐵路提速、重載的影響，涵洞邊墻開裂、頂板混凝土剝落、鋼筋銹蝕等病害較為突出，對(duì)列車運(yùn)行構(gòu)成極大安全隱患。面對(duì)量大面廣的涵洞病害,若單純采用架空線路、重新改建的方案，費(fèi)用高、工期長、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大,對(duì)運(yùn)輸秩序影響大。本文以寶中線K279+848處1～3.0 m鋼筋混凝土蓋板涵加固設(shè)計(jì)為例，提出了在既有鋼筋混凝土蓋板涵內(nèi)部現(xiàn)澆嵌套鋼筋混凝土框架涵的加固方法，并對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算論證，驗(yàn)證了加固的有效性。本加固方法不需要預(yù)制場(chǎng)地，不需要制作背墻，尤其適用于地形環(huán)境比較復(fù)雜的狹窄溝谷線路段涵洞加固；可從中間向兩邊同時(shí)施工施工速度較快，施工周期較短；既有蓋板底部與框架涵之間的空隙，采用干硬性混凝土人工填筑，擠壓密實(shí)，能夠確?？蚣芎行芰?；不需要中斷交通，加固效率高，加固效果可靠，在未來有較好的發(fā)展前景。

[1] 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.

[2] 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1-2005)[S].

[3] 鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.4-2005)[S].

2016-05-11

高鵬飛(1991-)，男，陜西渭南白水人，在讀碩士，研究方向：橋梁與隧道工程。

U442

C

1008-3383(2017)02-0081-04