既有混凝土橋梁加裝檢查車軌道的設(shè)計(jì)與分析

梅仕偉，梅 明，孔令俊，李文斌，曾 摯

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

混凝土橋梁在國(guó)內(nèi)運(yùn)用的非常廣泛，一般采用橋面檢測(cè)車進(jìn)行梁體的檢查，但對(duì)于并行橋梁，需要軌道式橋梁檢查車[1]。橋梁檢查車需要安裝在梁體外面的專用通長(zhǎng)軌道上行走[2]，對(duì)于新建混凝土橋梁，一般采用預(yù)埋件的方式提供軌道的支撐安裝點(diǎn)，但對(duì)于既有混凝土橋梁由于建設(shè)階段未考慮布置檢查車，缺乏安裝檢修車軌道的支撐安裝點(diǎn)。本文以某高速公路混凝土橋梁為研究對(duì)象，提出通過在梁體植入化學(xué)錨栓的方式來(lái)提供軌道的支撐點(diǎn)，解決既有混凝土橋梁加裝檢查車軌道的難題。

化學(xué)植筋是后錨固技術(shù)的一種，是以化學(xué)錨固膠將鋼筋或螺桿膠結(jié)安裝于基體錨孔中，通過黏結(jié)和鎖鍵作用實(shí)現(xiàn)對(duì)被連接件的錨固?；瘜W(xué)植筋具有可靠性高、耐高溫、錨固力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)安全性高、能長(zhǎng)期承受動(dòng)載荷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于建筑、橋隧、市政等工程建設(shè)中[3-5]。

1 總體布置設(shè)計(jì)

檢查車軌道支撐安裝點(diǎn)一般布置在梁體的側(cè)面或翼緣板底部，化學(xué)植筋就有梁體側(cè)面植入和梁翼緣板底部植入兩種方式。梁體側(cè)面植入方式，化學(xué)錨栓承受彎剪組合力，受力情況較為復(fù)雜，在相同重力作用下，對(duì)錨栓和基體提出了更高的要求，有可能造成原梁體的破壞，當(dāng)然，此種方式易安裝；翼緣板底部植入方式，錨栓只承受拉力，受力較為簡(jiǎn)單，但安裝有難度，需要仰面施工。考慮到對(duì)原有梁體的保護(hù)和后錨固螺栓的受力情況，選擇翼緣板底部植入方式。

如圖1所示，并行橋梁兩邊翼緣板底部設(shè)置檢查車軌道支撐安裝點(diǎn)，沿橋向每隔2 m等距離布置。在支撐安裝點(diǎn)植入化學(xué)錨栓，錨固時(shí)須避開縱向和橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。托架采用螺栓連接固定于所植的化學(xué)錨栓上，托架下面安裝檢查車軌道，檢查車懸掛在兩根檢查車軌道上,從而實(shí)現(xiàn)沿橋縱向行走檢查。

2 化學(xué)錨栓選型與分析

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的檢查車采用雙軌單車布局，檢查車質(zhì)量約15 t，每條軌道有兩組輪系受力，每組輪系間距3 m。在考慮分析受力最惡劣的工況下，受力最大的輪系承受壓力的值約為60 kN。

每隔2 m有安裝點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)每個(gè)安裝點(diǎn)的化學(xué)錨栓個(gè)數(shù)為4個(gè)，錨固點(diǎn)的橫向間距為180 mm，縱向間距為260 mm。選用M20×260倒錐形的化學(xué)錨栓，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 M20×260化學(xué)錨栓設(shè)計(jì)及安裝參數(shù)

現(xiàn)根據(jù)GB 50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[6]和JGJ 145—2004混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程[7]，相關(guān)參數(shù)校核如下:錨固深度h=170 mm>8d=160 mm，錨固點(diǎn)橋箱梁翼板厚度為276 mm>1.5h=255 mm，群錨的橫向間距為180 mm>1.0×h=170 mm，群錨的縱向間距為260 mm>1.0×h=170 mm，群錨的臨界間距1 016 mm>3.0×h=510 mm，都滿足GB 50376—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。

考慮地震作用下，在僅受拉的工況下，錨固承載力降低系數(shù)k=0.8，結(jié)合表1，實(shí)際錨栓能承受的拉力允許值為43.2×0.8=34.56 kN。在極限情況下，單個(gè)安裝點(diǎn)受到輪系的最大拉力為60 kN,單個(gè)錨栓所承受的拉力設(shè)計(jì)值為：

Nsd=k1N/n

(1)

其中，Nsd為錨栓所承受的拉力設(shè)計(jì)值；N為總拉力設(shè)計(jì)值，這里為最大拉力60 kN；n為群錨錨栓個(gè)數(shù)，取n=4;k1為錨栓受力不均勻系統(tǒng)，取1.1。

由式(1)計(jì)算得出，Nsd=16.5 kN，單個(gè)錨栓實(shí)際承受的最大拉力是小于拉力允許值的，所以安裝點(diǎn)的錨栓群能夠承受軌道上輪系的拉力，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 托架及軌道的設(shè)計(jì)與分析

托架懸掛在梁翼緣板下，由頂板、底板、中間板及筋板組成。頂板布置有螺栓孔，通過化學(xué)錨栓與梁體相連，頂板呈一定斜度與梁體翼緣板斜度一致，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工精度，上連接板的螺栓孔可為橢圓形孔，以便安裝調(diào)節(jié)。底板通過螺栓連接與軌道相連。筋板分別與頂板、底板及中間板焊接連接，提高了托架的整體受力水平。為確保安全，對(duì)托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析?？紤]最惡劣工況，托架承受最大拉力60 kN,設(shè)定相關(guān)邊界條件后，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，托架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為146.7 MPa，最大位移為0.56 mm，滿足使用要求。

軌道采用Ⅰ28b工字鋼，每條軌道有兩組輪系受力，每組輪系有4個(gè)輪子。在極限情況下，受力最大的輪系承受壓力的值約為60 kN，在每個(gè)輪子上加載1.5 t的力，校核工字鋼軌道的安全。計(jì)算結(jié)果如圖3所示，軌道的最大應(yīng)力為50.55 MPa，最大位移為0.269 mm，滿足使用要求。

4 梁體安全性分析

梁體化學(xué)植筋和布置檢查車軌道后，有必要對(duì)懸臂板的安全性進(jìn)行分析。此并行橋梁的左右結(jié)構(gòu)形狀基本相同，且同時(shí)修建，故本文只需對(duì)其中的一座橋進(jìn)行安全性分析。因?yàn)閮勺鶚蚨冀ㄓ?0世紀(jì)90年代，這里按舊標(biāo)準(zhǔn)JTJ 023—85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算[8]。其中左橋懸臂板的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 左橋懸臂板相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

從表2中可以看出，24號(hào)塊配筋較小，受力較為不利，所以我們選擇24號(hào)塊懸臂板進(jìn)行計(jì)算分析。分析前設(shè)置參數(shù)，恒載按結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸計(jì)算，混凝土容重為26 kN/m3，防撞墻荷載為7.35 kN/m，瀝青混凝土容重23 kN/m3?；钶d方面，懸臂板計(jì)算按車輛荷載進(jìn)行考慮，沖擊系數(shù)取0.3，檢查車荷載單輪集中力按60 kN，沖擊系數(shù)取0.15。

4.1 車輪荷載分布計(jì)算

4.1.1 汽車車輪載荷分布計(jì)算

懸臂板荷載分布見圖4。

根據(jù)JTJ 023—85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，單個(gè)汽車車輪作用在懸臂板上的分布寬度a單按照式(1)計(jì)算。

a單=a2+2H+2b′

(2)

其中，a2為車輪著地長(zhǎng)度，a2=20 cm[9]；H為鋪裝層厚度，H=8 cm；b′為集中載荷通過鋪裝層分布于板頂?shù)膶挾韧饩壷粮拱暹叺木嚯x，b′=204.4 cm。計(jì)算式(1)，可以得出a=444.8 cm。因?yàn)橹剀噧珊筝喿饔糜行Х植紝挾扔兄丿B，所以荷載作用于懸臂根部的有效分布寬度a按照式(3)計(jì)算:

a=a單+d

(3)

其中，d為多車輪時(shí)外輪之間的中距,d=1.4 m,計(jì)算式(2)，可以得到a=5.848 m。再根據(jù)式(4)計(jì)算：

q=P/a

(4)

其中，P為車輪重，P=140 kN，可得出汽車車輪單位荷載q=23.94 kN/m。

4.1.2 檢查車車輪載荷分布計(jì)算

檢查車輪載通過軌道托架連接在翼緣板底面，受力如圖5所示。

參考汽車車輪載荷分布計(jì)算方法，計(jì)算式(2)，單個(gè)托架在懸臂板上的分布寬度為a單=4.026 m。此時(shí)a2為托架在懸臂板的著地長(zhǎng)度，a2=50 cm；b′為集中載荷分布于板頂?shù)膶挾韧饩壷粮拱暹叺木嚯x，b′=176.3 cm；無(wú)鋪裝層，H=0。

計(jì)算式(3)，可得到荷載作用于懸臂根部的有效分布寬度a=8.026 m。此時(shí)，d為3個(gè)托架之間的中距(檢查車縱向移動(dòng)時(shí)荷載由3個(gè)托架承受)，d=4 m。計(jì)算式(4)，可得出檢查車車輪單位荷載q=14.95 kN/m，此時(shí)P為檢查車兩個(gè)輪系最大荷載之和，P=120 kN。

4.2 承載能力計(jì)算

采用Midas Civil軟件，建立懸臂板單位寬度模型。根據(jù)前面設(shè)置的計(jì)算參數(shù)和車輪分布載荷，對(duì)懸臂板的抗彎承載能力、抗剪承載能力及裂縫寬度進(jìn)行了驗(yàn)算。

4.2.1 抗彎承載能力

懸臂板的抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果如圖6所示，懸臂板抗彎承載能力是滿足規(guī)范要求的。

4.2.2 抗剪承載能力

懸臂板剪力計(jì)算如圖7所示。

根據(jù)JTJ 023—85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)受彎構(gòu)件符合式(5)時(shí)無(wú)需進(jìn)行斜截面抗剪強(qiáng)度計(jì)算，我們選擇懸臂根部及距懸臂根部40 cm處進(jìn)行抗剪承載能力驗(yàn)算。

Qj≤0.038Rlbh0

(5)

其中，Rl為混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，Rl=2.45 MPa；b為支點(diǎn)截面處受彎構(gòu)件的最小腹板厚度；h0為支點(diǎn)截面處受彎構(gòu)件的有效高度。

從圖6可以得到，懸臂根部的Qj=105 kN，距根部40 cm處的Qj=99 kN，驗(yàn)算式(5)，都是成立的，故所驗(yàn)算部位抗剪承載能力滿足要求。

4.2.3 裂縫寬度

裂縫寬度計(jì)算結(jié)果如圖8所示，最大裂縫為0.162 6 mm,小于裂縫寬度容許值0.2 mm，故滿足JTJ 023—85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)既有混凝土橋梁加裝檢查車軌道的難點(diǎn)，提出了化學(xué)植筋提供軌道支撐點(diǎn)的方式，此種方式簡(jiǎn)單方便，能保證橋梁安全性，且支撐點(diǎn)定位較預(yù)埋方式更為準(zhǔn)確，不受梁體施工精度影響，為后續(xù)既有橋梁加裝軌道等附屬件提供了一個(gè)很好的參考。