重载铁路既有涵洞加固方式的受力性能分析

尹光耀

(国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350)

朔黄铁路为我国西煤东运的第二大通道，全长585 km，铁路线西起山西省神池县的神池南站，东至河北省黄骅港，线路横跨山西、河北两省。随着我国重载铁路大轴重及长编组列车的开行，重载列车的长期冲击作用导致大量钢筋混凝土盖板涵出现开裂、露筋及掉块等病害[1]。此外，涵洞防水层损毁后，潮湿的空气及雨雪侵蚀板内钢筋，使得病害进一步发展，严重威胁行车安全，影响运输生产。朔黄铁路全线共有涵渠1 600余座，涵洞结构采用的是普通钢筋混凝土或圬工结构，大量既有涵洞特别是盖板涵，后期运营期间出现了开裂、露筋、漏水等病害，影响结构的正常使用。朔黄铁路涵洞典型病害如图1所示。

图1 朔黄铁路盖板涵典型病害

1 加固方法比选

从涵洞病害处置、病害预防、周边环境、净空要求、交通需求、过水需求、加固效果、对线路的影响、施工周期及施工成本等各种因素考虑，比较现阶段各种加固方法，以选取适合朔黄铁路涵洞的加固方法[2-3]。

(1)碳纤维布加固：板梁板底粘贴碳纤维增强复合材料，利用专门配制的粘结剂将碳纤维片粘贴在板底，使碳纤维片与板梁形成一体、共同受力的加固修补方式。优点：碳纤维复合材料具有优越的力学性能，不与酸碱盐等化学物质发生反应，所占空间小、重量轻，施工工序简便。缺点：对板梁刚度提高有限且不能将各板梁有效连接。

(2)体外预应力加固：采用外加预应力钢绞线、钢丝、索、碳纤维板等材料对板梁进行加固，通过施加预应力使原盖板与后加部分形成一体，共同受力，改变原盖板内力分布并降低应力水平的加固修补方式。优点：可较大幅度的提高结构的承载能力和结构刚度，能够控制和调整体外应力、改变结构内力。缺点：新老结构之间粘结要求较高，预应力松弛失效问题突出，抵抗车辆刮蹭能力弱。

(3)外贴钢板加固：板梁板底粘贴钢板，通过螺栓、粘钢胶与原板梁连接，使钢板与板梁形成一体、共同受力的加固修补方式。优点：提高承载能力的同时能有效改善板梁的延性，所占空间小，施工工序简便。缺点：对板梁刚度提高有限且不能将各板梁有效连接。

(4)更换盖板：按照原板梁尺寸重新预制新盖板，在原位进行板梁更换。优点：拆除原病害板梁，承载能力得到显著提高。缺点：需要中断铁路线运营，占线路施工工期长。

(5)框构顶进更换：在原涵洞外重新修建框构，顶进代替原涵洞。优点：拆除原涵洞，改为新的结构形式，承载能力得到显著提高。缺点：需要中断铁路线运营，对周边环境影响大。

(6)增大盖板截面：凿除板梁下缘钢筋保护层，焊接新的钢筋网，并浇筑自流平混凝土，使新浇筑混凝土与原盖板形成一体、共同受力的加固修补方式。优点：可较大幅度的提高结构的承载能力和结构刚度。缺点：受涵洞下方交通及过水影响较大，施工工期长。

(7)局部改建框构：拆除部分侧墙及基底浆砌片石基础，焊接或绑扎新的钢筋网，板梁边缘钢筋与新钢筋网进行焊接，浇筑混凝土，与原板梁形成框构、共同受力的加固修补方式。优点：改变结构受力形式，可较大幅度的提高结构的承载能力和结构刚度。缺点：受涵洞下方交通及过水影响较大，压缩涵洞净空较多，施工工期长。

(8)框构套涵加固：在原板梁、侧墙外绑扎新的钢筋网，形成框构，并与原结构钢筋网或植筋进行焊接，浇筑混凝土，使新浇筑框构与原结构形成一体、共同受力的加固修补方式。优点：将顶板连接为整体，可较大幅度的提高结构的承载能力和结构刚度。缺点：受涵洞下方交通及过水影响较大，压缩涵洞净空较多，施工工期长。

(9)波纹板加固：利用适当增大截面尺寸提高抗弯刚度的原理，将复合材料、钢质及铝合金质等板材沿着受力方向加工成不同尺寸的波纹，而在非受力方向加工成拱(圆)、椭圆以及矩形等结构型式，使波纹板与原结构形成一体、共同受力的加固修补方式。优点：将顶板连接为整体，可较大幅度的提高结构的承载能力和结构刚度，拼装施工工序简便。缺点：受涵洞下方交通及过水影响较大，适量压缩涵洞净空。

综合比较分析，采用框构套涵加固和波纹板加固可将盖板涵顶板连接为整体，能有效解决现有涵洞单板受力情况，提高结构承载能力，并为以后重载运输提供较大的安全储备。本文以朔黄铁路涵洞为研究对象，分析涵洞采用框构套涵加固和波纹板加固后涵洞的受力情况及变形特点，研究对比涵洞加固效果。

2 工程加固概况

2.1 盖板涵现状

朔黄铁路799#涵洞和899#涵洞均为交通涵，结构形式和填土厚度基本一致。799#涵洞净宽5.0 m，净高5.0 m，涵长26.4 m；899#涵洞净宽5.0 m，净高4.9 m，涵长24.7 m。两个涵洞主要病害表现为盖板混凝土腐蚀、开裂掉块，钢筋保护层脱落严重，盖板承载能力显著降低，由于防水层已大部分损毁，潮湿的空气及雨雪的侵蚀，使病害得到了更加快速的发展，严重威胁行车安全。

799#涵洞和899#涵洞盖板均按照《中华人民共和国铁道部通用图钢筋混凝土、混凝土及石盖板箱梁》肆桥5009进行设计，设计荷载采用中华人民共和国铁路标准，即“中-活载”。涵洞盖板采用C20钢筋混凝土结构。涵洞横断面与盖板横断面设计如图2所示。

图2 涵洞断面及板梁断面 (单位：mm)

2.2 涵洞加固设计

朔黄铁路799#涵洞采用波纹板加固，加固后净宽由5.0 m结构缩减为4.8 m，净高由5.0 m降为4.9 m。899#涵洞采用框构套涵加固，加固后净宽由5.0 m缩减为4.3 m，净高由4.9 m降为3.8 m。涵洞加固剖面及加固实景如图3、图4所示。

图3 波纹板加固及框构套涵加固剖面

图4 加固实景

3 数值模拟分析

3.1 有限元模型建立

基于荷载-结构法建模原则，建立朔黄铁路799#涵洞波纹板加固和899#框构套涵加固有限元模型，洞波纹板采用Q345钢材，套涵采用C40混凝土。波纹钢板加固采用弹性壳单元shell63单元进行模拟。框构套涵加固计算时，混凝土采用solid65单元进行模拟，受力钢筋采用beam188单元模拟，通过共用节点的方式实现协同受力。

计算荷载包括恒载与活载两部分，其中恒载包括既有涵洞自重、波纹板背后注浆层自重、加固结构自重、轨道结构自重及土压力荷载。

朔黄铁路既有运营重载列车车型为C64、C70和C80，轴重分别为210 kN、230 kN和250 kN，设计荷载取“中-活载”和ZH活载，因此共采用5种荷载图式进行分析。

依据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2-2005)中规定，外荷载组合包括：主力组合，自重+列车竖向静活载+列车竖向动力作用；附加力组合，主力组合+制动力。荷载作用如图5所示。

注：P1为既有涵洞工作自重，取7.5 kPa；P2为波纹板背后注浆层自重，取2.5 kPa；P3为轨道结构自重，取17.3 kPa；P4为垂直土压力，取13.1 kPa；P6为考虑30 t轴重列车活载换算垂直压力，取106.1 kPa；e4为水平土压力，取32.3 kPa；e6为考虑30 t轴重列车活载换算水平压力，取26.5 kPa

图5 荷载作用图示

3.2 结果分析

不同列车荷载作用下，799#涵洞波纹板和899#涵洞套涵跨中应力值见表1。

从表1中可以看出：5种荷载主力组合和附加力组合作用下，波纹板最大等效应力均小于Q345钢材抗拉、抗压强度设计值；相同荷载作用下，899#钢筋应力均小于钢筋抗拉强度设计值。

表1 不同列车荷载作用下799#涵洞波纹板和899#涵洞套涵跨中应力值

4 加固效果试验评价

4.1 试验目的及方法

波纹板加固及框构套涵加固都是在原有结构的基础上进行补强，使新增结构与既有结构形成一个新的共同受力的组合体系，从而改善结构的受力状态，提升结构性能。为了验证设计理论，评估加固效果，对朔黄铁路采用波纹板加固的799#涵洞和采用框构套涵加固的899#涵洞进行加固前后力学性能测试。在既有运营荷载C64、C70和C80列车作用下，通过结构变形及钢筋应力测试掌握结构协同受力的能力及组合结构的受力状态。

4.2 试验测点布置

朔黄铁路799#涵洞和899#涵洞加固前后横、纵断面测点布置如图6所示，测试内容见表2。

表2 涵洞加固前后测试内容

图6 加固前后涵洞横、纵断面测点布置

4.3 试验数据分析

朔黄铁路799#涵洞波纹板加固前后实测结果见表3，899#涵洞框构套涵加固前后实测结果见表4。

表3 799#涵洞加固前后测试结果

表4 899#涵洞加固前后测试结果

根据实测结果分析，799#涵洞在波纹板加固后，在C64、C70和C80运营列车作用下，盖板钢筋应力最小减小了52.73%，竖向位移最小减小了82.31%，结构刚度增加显著。考虑动力系数，加固前实测最大挠度换算至中-活载作用下，最大挠跨比为1/3 108，已大于《铁路桥梁检定规范》中规定的竖向挠跨比通常值1/4 000；加固后换算最大挠跨比为1/17 692，远小于《铁路桥梁检定规范》中规定的竖向挠跨比通常值1/4 000[4]。

根据实测结果分析，899#涵洞在框构套涵加固后，在C64、C70和C80运营列车作用下，顶板底层钢筋应力最小减小了68.41%，竖向位移最小减小了90.60%，结构刚度增加显著。考虑动力系数，加固前实测最大挠度换算至中-活载作用下，最大挠跨比为1/3 247，已大于《铁路桥梁检定规范》中规定的竖向挠跨比通常值1/4 000；加固后换算最大挠跨比为1/24 605，远小于《铁路桥梁检定规范》中规定的竖向挠跨比通常值1/4 000[4]。

在各运营列车作用下，加固后799#涵洞顶部波纹板应力及899#涵洞顶板钢筋应力实测值均小于理论计算结果，最大结构校验系数分别为0.39和0.37，虽然在数值模拟时，由于周围填土对于结构的位移约束未做详细模拟，理论计算结果会比实际值略显偏大[3-5];但从实测结果分析来看，加固后的结构整体性明显提升。对比分析两种加固方法实际效果，采用框构套涵加固的899#涵洞相较于采用波纹板加固的799#涵洞，截面特性明显增大，应力及竖向位移减小比例较大。

5 结论

(1) 既有钢筋混凝土涵洞，由于病害的影响，已很难满足重载运输的要求，采用波纹板和框构套涵整体加固后，钢筋应力及竖向位移明显减小，结构刚度及承载能力显著提升。数值模拟与实测结果对比分析表明，加固后新增结构和既有结构能够协调受力，整体性良好，加固方案切实可行。

(2)波纹板加固方案对于涵洞净空的影响要小于框构套涵加固方案，但加固施工工艺复杂，成本相对较高；框构套涵加固后较波纹板加固后效果比例提升高，两种加固方案均能达到结构性能提升的目的，实际应用中，可根据涵洞作用及通行要求等情况，合理选择加固方式。