錨桿和碳纖維在鐵路既有橋梁墩臺(tái)加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2016-01-25
工程概況
京滬上行線某橋?yàn)?-12.0m鋼筋混凝土π型梁橋，建于1961年。該橋橋臺(tái)為U型橋臺(tái)，材質(zhì)為漿砌片石，其中上海方橋臺(tái)前墻出現(xiàn)前傾趨勢(shì)，且外邊墻出現(xiàn)2-5mm左右的裂紋。該橋大修前采用臨時(shí)枕木垛支點(diǎn)支撐。
考慮到漿砌片石材質(zhì)的結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)整體性差、抗拉抗剪切能力差、抗壓好的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)該橋臺(tái)的整體觀察分析，橋臺(tái)前墻前傾及外邊墻出現(xiàn)較大裂紋的現(xiàn)象，說(shuō)明橋臺(tái)整體出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞：經(jīng)過(guò)多年的靜動(dòng)荷載破壞，橋臺(tái)被破壞成兩部分。
這種病害在鐵路橋梁大修中非常嚴(yán)重，對(duì)該橋臺(tái)的改造刻不容緩。
加固改造設(shè)計(jì)方案的確定
?。ㄒ唬蛄捍笮抟饬x和方案選擇的基礎(chǔ)
橋梁大修改造不同于橋梁基建或者更新改造工程。橋梁基建或更新改造工程，投資較大，對(duì)既有鐵路運(yùn)輸影響也比較大。就橋梁工程而言，采用基建工程或更新改造工程模式時(shí)，一般采用拆除既有病害橋梁并且新建橋梁的方式；而大修改造一般不采用這種大規(guī)模投資、大規(guī)模改造方式，而是盡量減少投資，采用一定有效方式盡量延長(zhǎng)既有橋梁使用壽命的效果。
并不是橋梁大修改造不進(jìn)行大型改造設(shè)計(jì)施工，用通俗的話說(shuō)，橋梁大修施工就是要在投資有限的情況下追求最佳“性價(jià)比”，當(dāng)然這所有選擇的前提是“安全第一”。
以上是作者從事橋梁大修施工、設(shè)計(jì)十多年來(lái)，對(duì)該項(xiàng)工作的個(gè)人淺見(jiàn)，也是該工程最終采用錨桿技術(shù)和碳纖維布加固方案的根本所在。
?。ǘ┓桨傅倪x擇
本橋臺(tái)改造設(shè)計(jì)，可采用兩種方法：
方案一是全面改造既有橋臺(tái)，即為將該U型漿砌片石橋臺(tái)改造成為混凝土T型橋臺(tái)。因?yàn)閁型橋臺(tái)雖然有節(jié)省材料的優(yōu)點(diǎn)，但也有著容易出現(xiàn)病害和使用壽命較短的缺點(diǎn)，故新建鐵路橋臺(tái)基本不再采用該類型橋臺(tái)，而是采用T型橋臺(tái)。
但是采用T型橋臺(tái)后，既有梁體就不再適用，并且北京方橋臺(tái)和中間2處橋墩同時(shí)應(yīng)該進(jìn)行改造，該設(shè)計(jì)方案雖然能夠全面解決病害問(wèn)題，該方案概算投資不低于260萬(wàn)，并且對(duì)運(yùn)輸影響巨大。對(duì)于橋梁大修年度總投資而言，本處采用大型橋梁大修改造的費(fèi)用將會(huì)相對(duì)壓縮其他項(xiàng)目投資，雖然可以進(jìn)行最加投資，但在沒(méi)有全面研究討論其他設(shè)計(jì)方案前，該方案只可作為備選方案，但非最佳方案。
方案二是采用 “小型外科手術(shù)”的方法對(duì)該橋進(jìn)行改造，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命，節(jié)省整體投資。這種 “小型外科手術(shù)”就是采用錨桿和碳纖維對(duì)病害橋臺(tái)進(jìn)行加固。該方案概算投資僅為5萬(wàn)多元。
在投資比較上孰優(yōu)孰劣，顯而易見(jiàn)，但采用錨桿和纖維布的這種加固方案是不是合理，還要進(jìn)一步進(jìn)行分析。
?。ㄈ┎捎缅^桿和纖維布加固橋臺(tái)的合理性、可行性分析
該結(jié)構(gòu)的病害產(chǎn)生的原因：多年荷載，特別是列車動(dòng)荷載沖擊造成橋臺(tái)后土體對(duì)臺(tái)前墻壓力增大，加上漿砌片石橋臺(tái)的整體性差，最終造成橋臺(tái)的斷裂。所以根據(jù)以上原因分析，只要采取以下措施，就能將此橋臺(tái)病害進(jìn)行整治：1、采取減小或抵消橋臺(tái)后土體壓力的措施；2、修復(fù)加固斷裂橋臺(tái)，使橋臺(tái)恢復(fù)良好地整體工作狀態(tài)。根據(jù)錨桿和纖維布兩者的特點(diǎn)，只要在合適位置設(shè)置一定數(shù)量及長(zhǎng)度的錨桿，采用一定措施用碳纖維布將橋臺(tái)進(jìn)行包裹加固，即可對(duì)病害進(jìn)行整治消除。
錨桿的設(shè)計(jì)使用方法
錨桿施工對(duì)周圍環(huán)境破壞很小，很適合在既有結(jié)構(gòu)物加固改造使用。根據(jù)病害橋臺(tái)外觀觀察分析，其外邊墻上部至橋臺(tái)前墻底端有2-5mm寬的貫通性裂紋，說(shuō)明橋臺(tái)整體斷裂成兩段，臺(tái)后填土肯定也會(huì)隨之裂成兩大塊而產(chǎn)生一定的空隙。
考慮到以上情況，該設(shè)計(jì)在橋臺(tái)布置錨桿情況如下：
1、在橋臺(tái)胸墻兩側(cè)位置，位于距臺(tái)墊石頂?shù)脚_(tái)頂距離1/3和2/3處，分別對(duì)稱布置錨桿兩根；其中布置于1/3處錨桿長(zhǎng)度采用18m，有效長(zhǎng)度10m，水平夾角15°，2/3處的錨桿采用植筋膠固定于橋臺(tái)邊墻內(nèi)，作用為將破損橋臺(tái)
2、橋臺(tái)前墻縱向和橫向位置的1/3和2/3處，分別布置4根錨桿，
3、錨桿材料均采用φ32mm精軋螺紋鋼，并作達(dá)克羅防腐處理；錨桿有效長(zhǎng)度采用M30高壓水泥砂漿灌注，其直徑為20cm；錨桿外端設(shè)錨頭和Q235錨墊板并作防腐處理；植筋膠采用慧魚(yú)植筋膠。水泥砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，需錨桿施加預(yù)應(yīng)力，應(yīng)力值為50KN。
碳纖維的設(shè)計(jì)使用方法
碳纖維布有強(qiáng)度高，重量輕的特點(diǎn)，用于既有結(jié)構(gòu)加固時(shí)，其產(chǎn)生的附加重量可以忽略不計(jì)?？紤]到列車活荷載，特別是沖擊荷載是造成病害的主要原因，而碳纖維布主要靠粘帖后的剪力和抗拉力抵抗這種沖擊荷載。
為使碳纖維布更好地配合錨桿共同作用，本次大修加固設(shè)計(jì)中，對(duì)橋臺(tái)外觀進(jìn)行了簡(jiǎn)單改造并粘帖碳纖維布：
1、將外邊墻砌石風(fēng)化鑿除，墻體設(shè)置φ22mm釬釘，間距0.5m，呈梅花狀布置；
2、墻外掛φ6mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格大小為0.25m×0.25m，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)于釬釘處，設(shè)置5cm厚C40纖維混凝土保護(hù)層并壓光；
3、粘帖碳纖維布（300g），范圍為外邊墻、前墻全部及胸墻錨桿設(shè)置處。
?。ㄈ╁^桿和碳纖維共同作用原理簡(jiǎn)述
當(dāng)列車荷載傳遞在斷裂開(kāi)的兩部分橋臺(tái)時(shí)，錨桿內(nèi)預(yù)應(yīng)力或植筋產(chǎn)生的剪力將抵消一部分荷載，同時(shí)另一部分荷載將通過(guò)外邊墻、前墻傳遞到釬釘、鋼筋網(wǎng)和混凝土保護(hù)層，繼而到碳纖維布，碳纖維布的拉力和粘帖抗剪力將其“消化”。
因?yàn)樵摌蚺_(tái)病害持續(xù)有一段時(shí)間，砌石及土體內(nèi)可能出現(xiàn)空隙的問(wèn)題，故在碳纖維布粘帖后，又考慮了橋臺(tái)砌石及土體壓注水泥漿的加強(qiáng)措施。
加固效果
該橋臺(tái)經(jīng)過(guò)整治，消除了既有病害，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證，本次加固整治效果良好。
六、結(jié)束語(yǔ)
采用錨桿和碳纖維加固的方法，具有極高性價(jià)比，既整治了病害延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)使用壽命，又及大地節(jié)省了投資，減少了對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊憽５F路設(shè)備改造投資的意義不在于投資多少，而是保證安全的前提下所收到的效益。
此橋梁采用該方式病害整治后，至今已繼續(xù)安全運(yùn)營(yíng)3年多仍然堅(jiān)固完好，相對(duì)于其52倍投資的橋梁全面改造和100年的使用壽命而言，已經(jīng)完全達(dá)到并超出了大修改造應(yīng)得到的效益，這包括實(shí)際投資和對(duì)運(yùn)輸影響造成的經(jīng)濟(jì)損失。為保證鐵路運(yùn)輸安全，該橋的全面整治設(shè)計(jì)、施工肯定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)展開(kāi)，本加固方法在未來(lái)的既有橋梁及其他建筑物的加固設(shè)計(jì)施工仍具有一定的參考意義。
