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，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，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計為例，介紹在不影響正常鐵路交通運營的情況下，在既有蓋板涵內部現澆鋼筋混凝土框架涵進行加固的方法。推導了嵌套鋼筋混凝土框架涵的理論計算公式，運用ANSYS軟件建立了本工程框架涵的有限元模型，對其進行數值分析并與理論計算結果進行對比，分析其受力性能，進而為設計提供依據。

鋼筋混凝土蓋板涵；鋼筋混凝土框架涵；涵洞加固

1 現澆嵌套框架涵法加固蓋板涵方法概述

1.1 現澆嵌套框架涵加固方法簡介

現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部采用現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“□”形鋼筋混凝土框構和鋼筋混凝土“門”形兩種形式，不同框架結構形式的選擇與鋼筋混凝土蓋板涵凈高有關，當凈高滿足要求時，宜優先選用“□”形鋼筋混凝土框構。

施工時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；在此基礎上綁扎鋼筋，設立模板，澆筑混凝土，澆注混凝土應從中間向兩邊逐步澆注；待頂板混凝土達到設計強度的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，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，既有蓋板在動載作用下不產生撓度，所以在保證施工空間的情況下應適當控制并盡量減小框架涵頂部與原蓋板之間的距離，如果框架涵頂部預留距離過大，后加固框架涵難以發揮作用，可能導致加固失敗。

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、頂進框架涵加固法和現澆框架涵加固法。

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

頂進框架涵加固法是指，在涵洞出口或入口設立預制廠，預制框架涵節段，并在涵洞軸線后方設立反力裝置，用千斤頂逐段頂進。頂進橋涵適用于運輸繁忙的營業線上，他在保證列車安全運行的條件下，以最快的速度將涵洞頂進原有蓋板涵中，設計時按結構形式、尺寸、施工場地、工程地質等情況進行工藝選擇。頂進框架涵法施工不需要中斷交通，適應于交通繁忙的運輸線路。

現澆嵌套框架涵法對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制工作的溝谷地帶，框架涵側板與既有蓋板涵側墻聯系緊密，框架涵頂板與既有蓋板間空隙填充密實度有保障，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、涵臺頂帽等部位出現滲水；

(2)涵臺或涵身下沉，造成一定的沉降裂縫；

(3)蓋板保護層脫落，鋼筋銹蝕嚴重；

(4)漿砌片石砌縫砂漿風化，脫落；

(5)涵臺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為道床板結變形和道床沉陷變形。道床板結變形主要是由既有線行車密度加大、貨運重載化等因素引起。由于交通運輸量不斷增加，道床板結速度不斷加快,這種的不均勻“硬化”導致了道床傳遞給鋼筋混凝土蓋板的活載不均勻，并且同時也加大了列車的沖擊力。道床沉陷變形主要是由于貨運重載化和列車提速引起，道床發生沉陷變形導致線路發生嚴重變形，進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的主要因素。由于配筋率不同蓋板會表現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。由于荷載作用的反復沖擊，混凝土和鋼筋可能會產生疲勞破壞。

(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，模板拆除過早及早期受凍使混凝土強度不足而使構件產生裂縫，這種裂縫在后期荷載作用下進一步擴展，而使裂縫寬度增大。另外，砌石墻身勾縫質量較差。

3 加固及檢算

3.1 加固設計

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

根據設計荷載、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)

根據框架涵內力分布，涵洞內側和外側均布設HRB335級Φ18鋼筋，鋼筋間距為100 mm,雙向拉通；在梗咽處設立局部加強鋼筋，并與縱向和橫向受力筋形成整體鋼筋網片。為爭取截面的有效高度，保護層按5 cm設計，箍筋直徑采用8 mm。

3.2 應力及裂縫寬度檢算

(1)蓋板涵檢算理論

①鋼筋及混凝土應力檢算方法

設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；

選用受拉區鋼筋As；

選用受壓區鋼筋As′。

涵頂至軌底填土高度大于0.99 m時， n采用10，則

所以：x=y-g；

混凝土壓應力為

②裂縫寬度計算方法

其中，k1為鋼筋表面形狀影響系數，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，按下式計算

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,對板可取1.2。

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

(2)對框架涵頂板跨中截面進行檢算

由框架涵內力圖圖2知，框架涵頂板跨中處的彎矩最大，對該截面進行檢算。

經計算:a〗8.04 cma′=6.03 cm

①計算混凝土及鋼筋應力

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

混凝土壓應力計算

σh=95×10-3

因此，混凝土壓應力小于其容許應力，滿足要求。

鋼筋拉應力

因此，鋼筋拉應力小于其容許應力，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

換算截面的受壓區高度為

不計受拉區混凝土的換算截面的慣性矩I

代入數據得

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，對框架涵沿涵洞長度方向取1 m建立有限元模型進行分析。建模時用使用的是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實體單元來模擬。模型單元劃分尺寸為50 mm,整個框架涵模型通過映射網格劃分共劃分為38 800個四面體實體單元,84個彈簧單元，共46 162個節點，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，混凝土本構關系采用多線性等向強化模型 MISO；鋼筋采用HRB335級鋼筋，彈性模量為2.0×105MPa,泊松比為0.2，鋼筋本構關系模型采用雙線性等向強化模型 BISO。

荷載施加：本模型受力分析時將列車活荷載，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。約束的實現方式為從框架涵經過網格劃分的所有節點中，選出84個均勻分布于框架涵底板底面的節點，將其沿Y軸反方向集體移動20 mm,并全部固結，在相應的上下兩節點間建立combine14單元，根據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 有限元分析結果

框架涵混凝土應力云圖、鋼筋應力云圖分別如圖4、圖5所示。

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

框架涵頂板跨中底面處鋼筋拉應力最大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

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

理論計算值與有限元模型分析結果對比如表1。

表1 理論計算值與有限元模型分析結果對比

經理論計算和有限元模型分析結果可知，兩者分析結果基本一致，均滿足《鐵路橋涵設計基本規范》的要求，驗證了在既有鋼筋混凝土蓋板涵內部現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 混凝土應力云圖

圖5 鋼筋應力云圖

5 結 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，對列車運行構成極大安全隱患。面對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，費用高、工期長、施工安全風險大,對運輸秩序影響大。本文以寶中線K279+848處1～3.0 m鋼筋混凝土蓋板涵加固設計為例，提出了在既有鋼筋混凝土蓋板涵內部現澆嵌套鋼筋混凝土框架涵的加固方法，并對其進行了計算論證，驗證了加固的有效性。本加固方法不需要預制場地，不需要制作背墻，尤其適用于地形環境比較復雜的狹窄溝谷線路段涵洞加固；可從中間向兩邊同時施工施工速度較快，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，能夠確保框架涵有效受力；不需要中斷交通，加固效率高，加固效果可靠，在未來有較好的發展前景。

[1] 鐵道部第一勘測設計院，蘭州鐵道學院．涵洞與拱橋[M]．北京:中國鐵道出版社， 1999.

[2] 鐵路橋涵設計基本規范(TB10002.1-2005)[S].

[3] 鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范(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