重載鐵路既有涵洞加固方式的受力性能分析

尹光耀

(國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

朔黃鐵路為我國西煤東運的第二大通道，全長585 km，鐵路線西起山西省神池縣的神池南站，東至河北省黃驊港，線路橫跨山西、河北兩省。隨著我國重載鐵路大軸重及長編組列車的開行，重載列車的長期沖擊作用導(dǎo)致大量鋼筋混凝土蓋板涵出現(xiàn)開裂、露筋及掉塊等病害[1]。此外，涵洞防水層損毀后，潮濕的空氣及雨雪侵蝕板內(nèi)鋼筋，使得病害進一步發(fā)展，嚴重威脅行車安全，影響運輸生產(chǎn)。朔黃鐵路全線共有涵渠1 600余座，涵洞結(jié)構(gòu)采用的是普通鋼筋混凝土或圬工結(jié)構(gòu)，大量既有涵洞特別是蓋板涵，后期運營期間出現(xiàn)了開裂、露筋、漏水等病害，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。朔黃鐵路涵洞典型病害如圖1所示。

圖1 朔黃鐵路蓋板涵典型病害

1 加固方法比選

從涵洞病害處置、病害預(yù)防、周邊環(huán)境、凈空要求、交通需求、過水需求、加固效果、對線路的影響、施工周期及施工成本等各種因素考慮，比較現(xiàn)階段各種加固方法，以選取適合朔黃鐵路涵洞的加固方法[2-3]。

(1)碳纖維布加固：板梁板底粘貼碳纖維增強復(fù)合材料，利用專門配制的粘結(jié)劑將碳纖維片粘貼在板底，使碳纖維片與板梁形成一體、共同受力的加固修補方式。優(yōu)點：碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能，不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所占空間小、重量輕，施工工序簡便。缺點：對板梁剛度提高有限且不能將各板梁有效連接。

(2)體外預(yù)應(yīng)力加固：采用外加預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲、索、碳纖維板等材料對板梁進行加固，通過施加預(yù)應(yīng)力使原蓋板與后加部分形成一體，共同受力，改變原蓋板內(nèi)力分布并降低應(yīng)力水平的加固修補方式。優(yōu)點：可較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度，能夠控制和調(diào)整體外應(yīng)力、改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力。缺點：新老結(jié)構(gòu)之間粘結(jié)要求較高，預(yù)應(yīng)力松弛失效問題突出，抵抗車輛刮蹭能力弱。

(3)外貼鋼板加固：板梁板底粘貼鋼板，通過螺栓、粘鋼膠與原板梁連接，使鋼板與板梁形成一體、共同受力的加固修補方式。優(yōu)點：提高承載能力的同時能有效改善板梁的延性，所占空間小，施工工序簡便。缺點：對板梁剛度提高有限且不能將各板梁有效連接。

(4)更換蓋板：按照原板梁尺寸重新預(yù)制新蓋板，在原位進行板梁更換。優(yōu)點：拆除原病害板梁，承載能力得到顯著提高。缺點：需要中斷鐵路線運營，占線路施工工期長。

(5)框構(gòu)頂進更換：在原涵洞外重新修建框構(gòu)，頂進代替原涵洞。優(yōu)點：拆除原涵洞，改為新的結(jié)構(gòu)形式，承載能力得到顯著提高。缺點：需要中斷鐵路線運營，對周邊環(huán)境影響大。

(6)增大蓋板截面：鑿除板梁下緣鋼筋保護層，焊接新的鋼筋網(wǎng)，并澆筑自流平混凝土，使新澆筑混凝土與原蓋板形成一體、共同受力的加固修補方式。優(yōu)點：可較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度。缺點：受涵洞下方交通及過水影響較大，施工工期長。

(7)局部改建框構(gòu)：拆除部分側(cè)墻及基底漿砌片石基礎(chǔ)，焊接或綁扎新的鋼筋網(wǎng)，板梁邊緣鋼筋與新鋼筋網(wǎng)進行焊接，澆筑混凝土，與原板梁形成框構(gòu)、共同受力的加固修補方式。優(yōu)點：改變結(jié)構(gòu)受力形式，可較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度。缺點：受涵洞下方交通及過水影響較大，壓縮涵洞凈空較多，施工工期長。

(8)框構(gòu)套涵加固：在原板梁、側(cè)墻外綁扎新的鋼筋網(wǎng)，形成框構(gòu)，并與原結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)或植筋進行焊接，澆筑混凝土，使新澆筑框構(gòu)與原結(jié)構(gòu)形成一體、共同受力的加固修補方式。優(yōu)點：將頂板連接為整體，可較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度。缺點：受涵洞下方交通及過水影響較大，壓縮涵洞凈空較多，施工工期長。

(9)波紋板加固：利用適當(dāng)增大截面尺寸提高抗彎剛度的原理，將復(fù)合材料、鋼質(zhì)及鋁合金質(zhì)等板材沿著受力方向加工成不同尺寸的波紋，而在非受力方向加工成拱(圓)、橢圓以及矩形等結(jié)構(gòu)型式，使波紋板與原結(jié)構(gòu)形成一體、共同受力的加固修補方式。優(yōu)點：將頂板連接為整體，可較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度，拼裝施工工序簡便。缺點：受涵洞下方交通及過水影響較大，適量壓縮涵洞凈空。

綜合比較分析，采用框構(gòu)套涵加固和波紋板加固可將蓋板涵頂板連接為整體，能有效解決現(xiàn)有涵洞單板受力情況，提高結(jié)構(gòu)承載能力，并為以后重載運輸提供較大的安全儲備。本文以朔黃鐵路涵洞為研究對象，分析涵洞采用框構(gòu)套涵加固和波紋板加固后涵洞的受力情況及變形特點，研究對比涵洞加固效果。

2 工程加固概況

2.1 蓋板涵現(xiàn)狀

朔黃鐵路799#涵洞和899#涵洞均為交通涵，結(jié)構(gòu)形式和填土厚度基本一致。799#涵洞凈寬5.0 m，凈高5.0 m，涵長26.4 m；899#涵洞凈寬5.0 m，凈高4.9 m，涵長24.7 m。兩個涵洞主要病害表現(xiàn)為蓋板混凝土腐蝕、開裂掉塊，鋼筋保護層脫落嚴重，蓋板承載能力顯著降低，由于防水層已大部分損毀，潮濕的空氣及雨雪的侵蝕，使病害得到了更加快速的發(fā)展，嚴重威脅行車安全。

799#涵洞和899#涵洞蓋板均按照《中華人民共和國鐵道部通用圖鋼筋混凝土、混凝土及石蓋板箱梁》肆橋5009進行設(shè)計，設(shè)計荷載采用中華人民共和國鐵路標準，即“中-活載”。涵洞蓋板采用C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。涵洞橫斷面與蓋板橫斷面設(shè)計如圖2所示。

圖2 涵洞斷面及板梁斷面 (單位：mm)

2.2 涵洞加固設(shè)計

朔黃鐵路799#涵洞采用波紋板加固，加固后凈寬由5.0 m結(jié)構(gòu)縮減為4.8 m，凈高由5.0 m降為4.9 m。899#涵洞采用框構(gòu)套涵加固，加固后凈寬由5.0 m縮減為4.3 m，凈高由4.9 m降為3.8 m。涵洞加固剖面及加固實景如圖3、圖4所示。

圖3 波紋板加固及框構(gòu)套涵加固剖面

圖4 加固實景

3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型建立

基于荷載-結(jié)構(gòu)法建模原則，建立朔黃鐵路799#涵洞波紋板加固和899#框構(gòu)套涵加固有限元模型，洞波紋板采用Q345鋼材，套涵采用C40混凝土。波紋鋼板加固采用彈性殼單元shell63單元進行模擬。框構(gòu)套涵加固計算時，混凝土采用solid65單元進行模擬，受力鋼筋采用beam188單元模擬，通過共用節(jié)點的方式實現(xiàn)協(xié)同受力。

計算荷載包括恒載與活載兩部分，其中恒載包括既有涵洞自重、波紋板背后注漿層自重、加固結(jié)構(gòu)自重、軌道結(jié)構(gòu)自重及土壓力荷載。

朔黃鐵路既有運營重載列車車型為C64、C70和C80，軸重分別為210 kN、230 kN和250 kN，設(shè)計荷載取“中-活載”和ZH活載，因此共采用5種荷載圖式進行分析。

依據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2-2005)中規(guī)定，外荷載組合包括：主力組合，自重+列車豎向靜活載+列車豎向動力作用；附加力組合，主力組合+制動力。荷載作用如圖5所示。

注：P1為既有涵洞工作自重，取7.5 kPa；P2為波紋板背后注漿層自重，取2.5 kPa；P3為軌道結(jié)構(gòu)自重，取17.3 kPa；P4為垂直土壓力，取13.1 kPa；P6為考慮30 t軸重列車活載換算垂直壓力，取106.1 kPa；e4為水平土壓力，取32.3 kPa；e6為考慮30 t軸重列車活載換算水平壓力，取26.5 kPa

圖5 荷載作用圖示

3.2 結(jié)果分析

不同列車荷載作用下，799#涵洞波紋板和899#涵洞套涵跨中應(yīng)力值見表1。

從表1中可以看出：5種荷載主力組合和附加力組合作用下，波紋板最大等效應(yīng)力均小于Q345鋼材抗拉、抗壓強度設(shè)計值；相同荷載作用下，899#鋼筋應(yīng)力均小于鋼筋抗拉強度設(shè)計值。

表1 不同列車荷載作用下799#涵洞波紋板和899#涵洞套涵跨中應(yīng)力值

4 加固效果試驗評價

4.1 試驗?zāi)康募胺椒?/h3>

波紋板加固及框構(gòu)套涵加固都是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行補強，使新增結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)形成一個新的共同受力的組合體系，從而改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提升結(jié)構(gòu)性能。為了驗證設(shè)計理論，評估加固效果，對朔黃鐵路采用波紋板加固的799#涵洞和采用框構(gòu)套涵加固的899#涵洞進行加固前后力學(xué)性能測試。在既有運營荷載C64、C70和C80列車作用下，通過結(jié)構(gòu)變形及鋼筋應(yīng)力測試掌握結(jié)構(gòu)協(xié)同受力的能力及組合結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

4.2 試驗測點布置

朔黃鐵路799#涵洞和899#涵洞加固前后橫、縱斷面測點布置如圖6所示，測試內(nèi)容見表2。

表2 涵洞加固前后測試內(nèi)容

圖6 加固前后涵洞橫、縱斷面測點布置

4.3 試驗數(shù)據(jù)分析

朔黃鐵路799#涵洞波紋板加固前后實測結(jié)果見表3，899#涵洞框構(gòu)套涵加固前后實測結(jié)果見表4。

表3 799#涵洞加固前后測試結(jié)果

表4 899#涵洞加固前后測試結(jié)果

根據(jù)實測結(jié)果分析，799#涵洞在波紋板加固后，在C64、C70和C80運營列車作用下，蓋板鋼筋應(yīng)力最小減小了52.73%，豎向位移最小減小了82.31%，結(jié)構(gòu)剛度增加顯著?？紤]動力系數(shù)，加固前實測最大撓度換算至中-活載作用下，最大撓跨比為1/3 108，已大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的豎向撓跨比通常值1/4 000；加固后換算最大撓跨比為1/17 692，遠小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的豎向撓跨比通常值1/4 000[4]。

根據(jù)實測結(jié)果分析，899#涵洞在框構(gòu)套涵加固后，在C64、C70和C80運營列車作用下，頂板底層鋼筋應(yīng)力最小減小了68.41%，豎向位移最小減小了90.60%，結(jié)構(gòu)剛度增加顯著?？紤]動力系數(shù)，加固前實測最大撓度換算至中-活載作用下，最大撓跨比為1/3 247，已大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的豎向撓跨比通常值1/4 000；加固后換算最大撓跨比為1/24 605，遠小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的豎向撓跨比通常值1/4 000[4]。

在各運營列車作用下，加固后799#涵洞頂部波紋板應(yīng)力及899#涵洞頂板鋼筋應(yīng)力實測值均小于理論計算結(jié)果，最大結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)分別為0.39和0.37，雖然在數(shù)值模擬時，由于周圍填土對于結(jié)構(gòu)的位移約束未做詳細模擬，理論計算結(jié)果會比實際值略顯偏大[3-5];但從實測結(jié)果分析來看，加固后的結(jié)構(gòu)整體性明顯提升。對比分析兩種加固方法實際效果，采用框構(gòu)套涵加固的899#涵洞相較于采用波紋板加固的799#涵洞，截面特性明顯增大，應(yīng)力及豎向位移減小比例較大。

5 結(jié)論

(1) 既有鋼筋混凝土涵洞，由于病害的影響，已很難滿足重載運輸?shù)囊?，采用波紋板和框構(gòu)套涵整體加固后，鋼筋應(yīng)力及豎向位移明顯減小，結(jié)構(gòu)剛度及承載能力顯著提升。數(shù)值模擬與實測結(jié)果對比分析表明，加固后新增結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)能夠協(xié)調(diào)受力，整體性良好，加固方案切實可行。

(2)波紋板加固方案對于涵洞凈空的影響要小于框構(gòu)套涵加固方案，但加固施工工藝復(fù)雜，成本相對較高；框構(gòu)套涵加固后較波紋板加固后效果比例提升高，兩種加固方案均能達到結(jié)構(gòu)性能提升的目的，實際應(yīng)用中，可根據(jù)涵洞作用及通行要求等情況，合理選擇加固方式。