植筋技術(shù)在既有鐵路橋梁加固中的應(yīng)用

鄭汝亮

(中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司滇中鐵路建設(shè)指揮部，云南昆明 650011)

既有鐵路橋墩基礎(chǔ)病害主要體現(xiàn)在2000年前后施工的一些項(xiàng)目上。為了確保運(yùn)營的安全，對病害橋梁需進(jìn)行限速運(yùn)營和長期的監(jiān)控量測。

趙學(xué)軍等研究了公路橋梁植筋技術(shù)工藝加固的要點(diǎn)并提出了一些建議[3-5]；賈紅虎等基于高速公路及房屋建筑工程，對植筋技術(shù)的原理、施工技術(shù)、植筋孔徑和深度進(jìn)行了分析[6-9]；劉洪俊等針對公路橋梁加寬和新舊結(jié)構(gòu)連接等情況，從植筋技術(shù)方面進(jìn)行了研究分析[10-11]。田磊等對鐵路橋梁病害及整治加固對策進(jìn)行了探討分析[12-15]；白殿濤等對既有橋梁支座病害進(jìn)行了調(diào)查及原因分析[16]。這些研究均取得了一定的成果，但未對既有鐵路橋墩植筋加固措施進(jìn)行詳細(xì)說明。

具體思路：首先介紹既有橋墩基礎(chǔ)病害的概況，通過計(jì)算獲得植筋體的承載力、布置形式、根數(shù)、錨固深度等技術(shù)參數(shù)[17-18]，并與施工設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 既有橋梁概況

大麗鐵路全長161.006 km，國鐵Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度120 km/h，為單線電氣化鐵路。2004年12月開工建設(shè)，2009年9月正式通車運(yùn)營。下河村1號(hào)特大橋全長523.44 m，孔跨布置為5×32 m+21×16 m簡支梁，橋梁位于R=1 200 m的圓曲線上，線路縱坡-3‰。橋址范圍內(nèi)地質(zhì)條件較差，7號(hào)～21號(hào)橋墩位于深厚軟土區(qū)，軟土分為流塑-軟塑狀泥炭、軟塑狀泥炭質(zhì)土、軟塑狀淤泥質(zhì)土，軟土厚15～36 m。0號(hào)橋臺(tái)至21號(hào)橋墩基礎(chǔ)為摩擦樁，樁徑為1.0 m，最大樁長為67 m；承臺(tái)為C20鋼筋混凝土，墩身為C20混凝土(加護(hù)面鋼筋)。

1.2 病害情況

2013年，橋下堆載及重車通行引起橋梁的7號(hào)～21號(hào)橋墩沉降及傾斜，2018年5月的監(jiān)測結(jié)果表明，橋偏心達(dá)-8～205 mm；累計(jì)沉降達(dá)79～109 mm。

1.3 病害結(jié)果及趨勢

2013年至2018年6月，該橋一直以80 km/h的速度通行(設(shè)計(jì)速度120 km/h)。根據(jù)2015年及2018年的監(jiān)測結(jié)果，7號(hào)～21號(hào)墩沉降和傾斜的趨勢仍在繼續(xù)發(fā)展。

1.4 病害整治方案

采用“樁基加固+既有橋墩植筋連接+包護(hù)鋼筋混凝土承臺(tái)”的加固方案。對7號(hào)、8號(hào)、20號(hào)、21號(hào)橋墩，在線路兩側(cè)加六樁進(jìn)行加固，與既有橋墩植筋連接，并包護(hù)鋼筋混凝土承臺(tái)，方案布置如圖1(a)～圖1(c)；對9號(hào)～19號(hào)橋墩，在線路兩側(cè)加八樁進(jìn)行加固，與既有橋墩植筋連接，并包護(hù)鋼筋混凝土承臺(tái)，平面布置見圖1(d)。

圖1 橋墩整體加固方案布置示意(單位：cm)

2 植筋計(jì)算

2.1 單根鋼筋承載力計(jì)算

(1)采用HRB400鋼筋，相關(guān)指標(biāo)如下：

f—鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取400 N/mm2；

As—鋼筋的面積/mm2；

fv—鋼筋受剪強(qiáng)度，取120 N/mm2；

受剪承載力計(jì)算公式

(1)

抗拉承載力計(jì)算公式

(2)

(2)植筋直徑為20 mm，參照式(1)、式(2)計(jì)算。

單根φ20植筋的抗剪承載力

單根φ20植筋的抗拉承載力

取抗剪承載力37.68 kN確定植筋根數(shù)，植筋鉆孔直徑取25 mm。

(3)植筋直徑為25 mm，參照式(1)、式(2)計(jì)算。

單根φ25植筋的抗剪承載力

單根φ25植筋的抗拉承載力

取抗剪承載力58.88 kN確定植筋根數(shù)，植筋鉆孔直徑取32 mm。

2.2 植筋布置形式確定

(1)植筋范圍

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367—2013)：植筋間距應(yīng)大于6d，邊距應(yīng)大于3d(d為鋼筋直徑)。橋墩側(cè)面采用φ20或φ25的HRB400鋼筋，植筋間距為300 mm，邊距為150 mm。

橋墩植筋底平面為263 cm×403 cm，墩身坡度為45∶1，高度3.5 m，故頂平面為247 cm×387 cm。植筋時(shí)，采用縮小的頂平面(245 cm×385 cm)進(jìn)行植筋(見圖2)。

(2)橫橋向植筋根數(shù)

行根數(shù)：(2.45-0.15×2)÷0.3+1=8

排數(shù)：(3.5-0.15×2)÷0.3+1=11

兩面最多可植根數(shù)：(8×11)×2=176

(3)縱橋向植筋根數(shù)

行根數(shù)：(3.85-0.15×2)÷0.3+1=12

排數(shù)：(3.5-0.15×2)÷0.3+1=11

兩面最多可植根數(shù)：(12×11)×2=264

(4)確定植筋原則

植筋間距300 mm，邊距不小于150 mm；縱橋向植筋根數(shù)為264根，橫橋向植筋根數(shù)則根據(jù)縱橋向用足后的剩余控制軸力進(jìn)行調(diào)整。橋墩植筋布置示意見圖2。

圖2 橋墩植筋布置示意(單位：cm)

2.3 植筋根數(shù)

根據(jù)單根鋼筋承載力計(jì)算值，推算每個(gè)墩承臺(tái)的植筋根數(shù)(如表1)。

表1 植筋根數(shù)

注：控制軸力N由設(shè)計(jì)單位提供，為“列車荷載里面的豎向力+梁部的自重+墩身的自重”折算到墩底處的豎向力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：縱橋向植筋根數(shù)為264根；橫橋向植筋根數(shù)最大為53根，小于最多植筋根數(shù)(176根)。

2.4 單根鋼筋錨固深度計(jì)算

(1)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，查《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367—2013)進(jìn)行計(jì)算。

f—鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取400 N/mm2；

fv—鋼筋受剪強(qiáng)度，取120 N/mm2；

fy—植筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360 N/mm2；

aspt—為防止混凝土劈裂引用的計(jì)算系數(shù)，φ20鋼筋取1.0；φ25鋼筋取1.05；

fbd—植筋用結(jié)構(gòu)膠粘劑的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取2.3；

ψbr—構(gòu)件受力狀態(tài)對承載力影響的系數(shù)，當(dāng)為非懸挑的重要構(gòu)件接長時(shí)，取1.15；

ψw—混凝土孔壁潮濕影響系數(shù)，取值1.1；

ψT—使用環(huán)境的溫度T影響系數(shù)，當(dāng)T≤60 ℃時(shí)，取1.0；

ψae-考慮植筋位移延性要求的修正系數(shù)，7度區(qū)的三、四類場地及8度區(qū)取1.25。

錨固深度計(jì)算公式

(3)

ψN=ψbrψwψT

(4)

ld=ψNψaels

(5)

(2)φ20植筋錨固深度參照式(3)、式(4)、式(5)計(jì)算，代入已知數(shù)值，有

ψN=ψbrψwψT=1.15×1.1×1.0=1.265

ld=ψNψaels=1.265×1.25×626=989(mm)

φ20植筋錨固深度取1 000 mm。

(3)φ25植筋錨固深度參照式(3)、式(4)、式(5)計(jì)算

ψN=ψbrψwψT=1.15×1.1×1.0=1.265

ld=ψNψaels=1.265×1.25×821=1 298(mm)

φ25植筋錨固深度取1 300 mm。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 相同部分(與設(shè)計(jì)施工圖對比)

(1)植筋類型：直徑為20 mm、25 mm，HRB400型的兩種鋼筋。

(2)植筋間距：300 mm行列式布置，邊距采用150 mm。

(3)植筋錨固深度：C20植筋錨固深度取1 000 mm，C25植筋錨固深度取1 300 mm。

3.2 不同部分(與設(shè)計(jì)施工圖對比)

橫橋向植筋較施工圖少61根，見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)施工圖對比分析

3.3 整治效果

經(jīng)過病害整治加固后，該橋由長期限速80 km/h恢復(fù)到設(shè)計(jì)速度(120 km/h)；近3個(gè)月的運(yùn)營實(shí)踐及監(jiān)測表明，該橋加固效果良好。