植筋技術在既有鐵路橋梁加固中的應用

鄭汝亮

(中國鐵路昆明局集團有限公司滇中鐵路建設指揮部，云南昆明 650011)

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

趙學軍等研究了公路橋梁植筋技術工藝加固的要點并提出了一些建議[3-5]；賈紅虎等基于高速公路及房屋建筑工程，對植筋技術的原理、施工技術、植筋孔徑和深度進行了分析[6-9]；劉洪俊等針對公路橋梁加寬和新舊結構連接等情況，從植筋技術方面進行了研究分析[10-11]。田磊等對鐵路橋梁病害及整治加固對策進行了探討分析[12-15]；白殿濤等對既有橋梁支座病害進行了調查及原因分析[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行詳細說明。

具體思路：首先介紹既有橋墩基礎病害的概況，通過計算獲得植筋體的承載力、布置形式、根數、錨固深度等技術參數[17-18]，并與施工設計圖進行對比驗證。

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，設計速度120 km/h，為單線電氣化鐵路。2004年12月開工建設，2009年9月正式通車運營。下河村1號特大橋全長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‰。橋址范圍內地質條件較差，7號～21號橋墩位于深厚軟土區(qū)，軟土分為流塑-軟塑狀泥炭、軟塑狀泥炭質土、軟塑狀淤泥質土，軟土厚15～36 m。0號橋臺至21號橋墩基礎為摩擦樁，樁徑為1.0 m，最大樁長為67 m；承臺為C20鋼筋混凝土，墩身為C20混凝土(加護面鋼筋)。

1.2 病害情況

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

1.3 病害結果及趨勢

2013年至2018年6月，該橋一直以80 km/h的速度通行(設計速度120 km/h)。根據2015年及2018年的監(jiān)測結果，7號～21號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+包護鋼筋混凝土承臺”的加固方案。對7號、8號、20號、21號橋墩，在線路兩側加六樁進行加固，與既有橋墩植筋連接，并包護鋼筋混凝土承臺，方案布置如圖1(a)～圖1(c)；對9號～19號橋墩，在線路兩側加八樁進行加固，與既有橋墩植筋連接，并包護鋼筋混凝土承臺，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 植筋計算

2.1 單根鋼筋承載力計算

(1)采用HRB400鋼筋，相關指標如下：

f—鋼筋抗拉強度標準值，取400 N/mm2；

As—鋼筋的面積/mm2；

fv—鋼筋受剪強度，取120 N/mm2；

受剪承載力計算公式

(1)

抗拉承載力計算公式

(2)

(2)植筋直徑為20 mm，參照式(1)、式(2)計算。

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，植筋鉆孔直徑取25 mm。

(3)植筋直徑為25 mm，參照式(1)、式(2)計算。

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，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《混凝土結構加固設計規(guī)范》(GB50367—2013)：植筋間距應大于6d，邊距應大于3d(d為鋼筋直徑)。橋墩側面采用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，采用縮小的頂平面(245 cm×385 cm)進行植筋(見圖2)。

(2)橫橋向植筋根數

行根數：(2.45-0.15×2)÷0.3+1=8

排數：(3.5-0.15×2)÷0.3+1=11

兩面最多可植根數：(8×11)×2=176

(3)縱橋向植筋根數

行根數：(3.85-0.15×2)÷0.3+1=12

排數：(3.5-0.15×2)÷0.3+1=11

兩面最多可植根數：(12×11)×2=264

(4)確定植筋原則

植筋間距300 mm，邊距不小于150 mm；縱橋向植筋根數為264根，橫橋向植筋根數則根據縱橋向用足后的剩余控制軸力進行調整。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

根據單根鋼筋承載力計算值，推算每個墩承臺的植筋根數(如表1)。

表1 植筋根數

注：控制軸力N由設計單位提供，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。

根據計算結果：縱橋向植筋根數為264根；橫橋向植筋根數最大為53根，小于最多植筋根數(176根)。

2.4 單根鋼筋錨固深度計算

(1)根據現場實際情況，查《混凝土結構加固設計規(guī)范》(GB50367—2013)進行計算。

f—鋼筋抗拉強度標準值，取400 N/mm2；

fv—鋼筋受剪強度，取120 N/mm2；

fy—植筋抗拉強度設計值，取360 N/mm2；

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

fbd—植筋用結構膠粘劑的黏結抗剪強度設計值，取2.3；

ψbr—構件受力狀態(tài)對承載力影響的系數，當為非懸挑的重要構件接長時，取1.15；

ψw—混凝土孔壁潮濕影響系數，取值1.1；

ψT—使用環(huán)境的溫度T影響系數，當T≤60 ℃時，取1.0；

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

錨固深度計算公式

(3)

ψN=ψbrψwψT

(4)

ld=ψNψaels

(5)

(2)φ20植筋錨固深度參照式(3)、式(4)、式(5)計算，代入已知數值，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 計算結果分析

3.1 相同部分(與設計施工圖對比)

(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(與設計施工圖對比)

橫橋向植筋較施工圖少61根，見表2。

表2 計算結果與設計施工圖對比分析

3.3 整治效果

經過病害整治加固后，該橋由長期限速80 km/h恢復到設計速度(120 km/h)；近3個月的運營實踐及監(jiān)測表明，該橋加固效果良好。