錨桿和碳纖維在鐵路既有橋梁墩臺加固設(shè)計中的應(yīng)用
2016-01-25
工程概況
京滬上行線某橋為3-12.0m鋼筋混凝土π型梁橋，建于1961年。該橋橋臺為U型橋臺，材質(zhì)為漿砌片石，其中上海方橋臺前墻出現(xiàn)前傾趨勢，且外邊墻出現(xiàn)2-5mm左右的裂紋。該橋大修前采用臨時枕木垛支點支撐。
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，經(jīng)過對該橋臺的整體觀察分析，橋臺前墻前傾及外邊墻出現(xiàn)較大裂紋的現(xiàn)象，說明橋臺整體出現(xiàn)較嚴重的破壞：經(jīng)過多年的靜動荷載破壞，橋臺被破壞成兩部分。
這種病害在鐵路橋梁大修中非常嚴重，對該橋臺的改造刻不容緩。
加固改造設(shè)計方案的確定
（一）橋梁大修意義和方案選擇的基礎(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，對既有鐵路運輸影響也比較大。就橋梁工程而言，采用基建工程或更新改造工程模式時，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既有橋梁使用壽命的效果。
并不是橋梁大修改造不進行大型改造設(shè)計施工，用通俗的話說，橋梁大修施工就是要在投資有限的情況下追求最佳“性價比”，當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)計十多年來，對該項工作的個人淺見，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。
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本橋臺改造設(shè)計，可采用兩種方法：
方案一是全面改造既有橋臺，即為將該U型漿砌片石橋臺改造成為混凝土T型橋臺。因為U型橋臺雖然有節(jié)省材料的優(yōu)點，但也有著容易出現(xiàn)病害和使用壽命較短的缺點，故新建鐵路橋臺基本不再采用該類型橋臺，而是采用T型橋臺。
但是采用T型橋臺后，既有梁體就不再適用，并且北京方橋臺和中間2處橋墩同時應(yīng)該進行改造，該設(shè)計方案雖然能夠全面解決病害問題，該方案概算投資不低于260萬，并且對運輸影響巨大。對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用將會相對壓縮其他項目投資，雖然可以進行最加投資，但在沒有全面研究討論其他設(shè)計方案前，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)”的方法對該橋進行改造，延長結(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病害橋臺進行加固。該方案概算投資僅為5萬多元。
在投資比較上孰優(yōu)孰劣，顯而易見，但采用錨桿和纖維布的這種加固方案是不是合理，還要進一步進行分析。
（三）采用錨桿和纖維布加固橋臺的合理性、可行性分析
該結(jié)構(gòu)的病害產(chǎn)生的原因：多年荷載，特別是列車動荷載沖擊造成橋臺后土體對臺前墻壓力增大，加上漿砌片石橋臺的整體性差，最終造成橋臺的斷裂。所以根據(jù)以上原因分析，只要采取以下措施，就能將此橋臺病害進行整治：1、采取減小或抵消橋臺后土體壓力的措施；2、修復(fù)加固斷裂橋臺，使橋臺恢復(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，只要在合適位置設(shè)置一定數(shù)量及長度的錨桿，采用一定措施用碳纖維布將橋臺進行包裹加固，即可對病害進行整治消除。
錨桿的設(shè)計使用方法
錨桿施工對周圍環(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)病害橋臺外觀觀察分析，其外邊墻上部至橋臺前墻底端有2-5mm寬的貫通性裂紋，說明橋臺整體斷裂成兩段，臺后填土肯定也會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)計在橋臺布置錨桿情況如下：
1、在橋臺胸墻兩側(cè)位置，位于距臺墊石頂?shù)脚_頂距離1/3和2/3處，分別對稱布置錨桿兩根；其中布置于1/3處錨桿長度采用18m，有效長度10m，水平夾角15°，2/3處的錨桿采用植筋膠固定于橋臺邊墻內(nèi)，作用為將破損橋臺
2、橋臺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，并作達克羅防腐處理；錨桿有效長度采用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；植筋膠采用慧魚植筋膠。水泥砂漿達到設(shè)計強度后，需錨桿施加預(yù)應(yīng)力，應(yīng)力值為50KN。
碳纖維的設(shè)計使用方法
碳纖維布有強度高，重量輕的特點，用于既有結(jié)構(gòu)加固時，其產(chǎn)生的附加重量可以忽略不計?？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)計中，對橋臺外觀進行了簡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)點設(shè)于釬釘處，設(shè)置5cm厚C40纖維混凝土保護層并壓光；
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述
當列車荷載傳遞在斷裂開的兩部分橋臺時，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，同時另一部分荷載將通過外邊墻、前墻傳遞到釬釘、鋼筋網(wǎng)和混凝土保護層，繼而到碳纖維布，碳纖維布的拉力和粘帖抗剪力將其“消化”。
因為該橋臺病害持續(xù)有一段時間，砌石及土體內(nèi)可能出現(xiàn)空隙的問題，故在碳纖維布粘帖后，又考慮了橋臺砌石及土體壓注水泥漿的加強措施。
加固效果
該橋臺經(jīng)過整治，消除了既有病害，經(jīng)過長時間驗證，本次加固整治效果良好。
六、結(jié)束語
采用錨桿和碳纖維加固的方法，具有極高性價比，既整治了病害延長了結(jié)構(gòu)使用壽命，又及大地節(jié)省了投資，減少了對運輸?shù)挠绊?。但鐵路設(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)安全運營3年多仍然堅固完好，相對于其52倍投資的橋梁全面改造和100年的使用壽命而言，已經(jīng)完全達到并超出了大修改造應(yīng)得到的效益，這包括實際投資和對運輸影響造成的經(jīng)濟損失。為保證鐵路運輸安全，該橋的全面整治設(shè)計、施工肯定會在不遠的將來展開，本加固方法在未來的既有橋梁及其他建筑物的加固設(shè)計施工仍具有一定的參考意義。
