重載鐵路既有涵洞加固方式的受力性能分析

尹光耀

(國能朔黃鐵路發展有限責任公司，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致大量鋼筋混凝土蓋板涵出現開裂、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鋼筋，使得病害進一步發展，嚴重威脅行車安全，影響運輸生產。朔黃鐵路全線共有涵渠1 600余座，涵洞結構采用的是普通鋼筋混凝土或圬工結構，大量既有涵洞特別是蓋板涵，后期運營期間出現了開裂、露筋、漏水等病害，影響結構的正常使用。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、病害預防、周邊環境、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合材料，利用專門配制的粘結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。優點：碳纖維復合材料具有優越的力學性能，不與酸堿鹽等化學物質發生反應，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)體外預應力加固：采用外加預應力鋼絞線、鋼絲、索、碳纖維板等材料對板梁進行加固，通過施加預應力使原蓋板與后加部分形成一體，共同受力，改變原蓋板內力分布并降低應力水平的加固修補方式。優點：可較大幅度的提高結構的承載能力和結構剛度，能夠控制和調整體外應力、改變結構內力。缺點：新老結構之間粘結要求較高，預應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制新蓋板，在原位進行板梁更換。優點：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)框構頂進更換：在原涵洞外重新修建框構，頂進代替原涵洞。優點：拆除原涵洞，改為新的結構形式，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，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。優點：可較大幅度的提高結構的承載能力和結構剛度。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：拆除部分側墻及基底漿砌片石基礎，焊接或綁扎新的鋼筋網，板梁邊緣鋼筋與新鋼筋網進行焊接，澆筑混凝土，與原板梁形成框構、共同受力的加固修補方式。優點：改變結構受力形式，可較大幅度的提高結構的承載能力和結構剛度。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)框構套涵加固：在原板梁、側墻外綁扎新的鋼筋網，形成框構，并與原結構鋼筋網或植筋進行焊接，澆筑混凝土，使新澆筑框構與原結構形成一體、共同受力的加固修補方式。優點：將頂板連接為整體，可較大幅度的提高結構的承載能力和結構剛度。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：利用適當增大截面尺寸提高抗彎剛度的原理，將復合材料、鋼質及鋁合金質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)、橢圓以及矩形等結構型式，使波紋板與原結構形成一體、共同受力的加固修補方式。優點：將頂板連接為整體，可較大幅度的提高結構的承載能力和結構剛度，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，能有效解決現有涵洞單板受力情況，提高結構承載能力，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 蓋板涵現狀

朔黃鐵路799#涵洞和899#涵洞均為交通涵，結構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進行設計，設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鋼筋混凝土結構。涵洞橫斷面與蓋板橫斷面設計如圖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結構縮減為4.8 m，凈高由5.0 m降為4.9 m。899#涵洞采用框構套涵加固，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 波紋板加固及框構套涵加固剖面

圖4 加固實景

3 數值模擬分析

3.1 有限元模型建立

基于荷載-結構法建模原則，建立朔黃鐵路799#涵洞波紋板加固和899#框構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，通過共用節點的方式實現協同受力。

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、加固結構自重、軌道結構自重及土壓力荷載。

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《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2-2005)中規定，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為軌道結構自重，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，波紋板最大等效應力均小于Q345鋼材抗拉、抗壓強度設計值；相同荷載作用下，899#鋼筋應力均小于鋼筋抗拉強度設計值。

表1 不同列車荷載作用下799#涵洞波紋板和899#涵洞套涵跨中應力值

4 加固效果試驗評價

4.1 試驗目的及方法

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

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，測試內容見表2。

表2 涵洞加固前后測試內容

圖6 加固前后涵洞橫、縱斷面測點布置

4.3 試驗數據分析

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

表3 799#涵洞加固前后測試結果

表4 899#涵洞加固前后測試結果

根據實測結果分析，799#涵洞在波紋板加固后，在C64、C70和C80運營列車作用下，蓋板鋼筋應力最小減小了52.73%，豎向位移最小減小了82.31%，結構剛度增加顯著。考慮動力系數，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《鐵路橋梁檢定規范》中規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《鐵路橋梁檢定規范》中規定的豎向撓跨比通常值1/4 000[4]。

根據實測結果分析，899#涵洞在框構套涵加固后，在C64、C70和C80運營列車作用下，頂板底層鋼筋應力最小減小了68.41%，豎向位移最小減小了90.60%，結構剛度增加顯著。考慮動力系數，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《鐵路橋梁檢定規范》中規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《鐵路橋梁檢定規范》中規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#涵洞頂部波紋板應力及899#涵洞頂板鋼筋應力實測值均小于理論計算結果，最大結構校驗系數分別為0.39和0.37，雖然在數值模擬時，由于周圍填土對于結構的位移約束未做詳細模擬，理論計算結果會比實際值略顯偏大[3-5];但從實測結果分析來看，加固后的結構整體性明顯提升。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，應力及豎向位移減小比例較大。

5 結論

(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的要求，采用波紋板和框構套涵整體加固后，鋼筋應力及豎向位移明顯減小，結構剛度及承載能力顯著提升。數值模擬與實測結果對比分析表明，加固后新增結構和既有結構能夠協調受力，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套涵加固方案，但加固施工工藝復雜，成本相對較高；框構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構性能提升的目的，實際應用中，可根據涵洞作用及通行要求等情況，合理選擇加固方式。