锚杆和碳纤维在铁路既有桥梁墩台加固设计中的应用
2016-01-25
工程概况
京沪上行线某桥为3-12.0m钢筋混凝土π型梁桥，建于1961年。该桥桥台为U型桥台，材质为浆砌片石，其中上海方桥台前墙出现前倾趋势，且外边墙出现2-5mm左右的裂纹。该桥大修前采用临时枕木垛支点支撑。
考虑到浆砌片石材质的结构有结构整体性差、抗拉抗剪切能力差、抗压好的特点，经过对该桥台的整体观察分析，桥台前墙前倾及外边墙出现较大裂纹的现象，说明桥台整体出现较严重的破坏：经过多年的静动荷载破坏，桥台被破坏成两部分。
这种病害在铁路桥梁大修中非常严重，对该桥台的改造刻不容缓。
加固改造设计方案的确定
（一）桥梁大修意义和方案选择的基础
桥梁大修改造不同于桥梁基建或者更新改造工程。桥梁基建或更新改造工程，投资较大，对既有铁路运输影响也比较大。就桥梁工程而言，采用基建工程或更新改造工程模式时，一般采用拆除既有病害桥梁并且新建桥梁的方式；而大修改造一般不采用这种大规模投资、大规模改造方式，而是尽量减少投资，采用一定有效方式尽量延长既有桥梁使用寿命的效果。
并不是桥梁大修改造不进行大型改造设计施工，用通俗的话说，桥梁大修施工就是要在投资有限的情况下追求最佳“性价比”，当然这所有选择的前提是“安全第一”。
以上是作者从事桥梁大修施工、设计十多年来，对该项工作的个人浅见，也是该工程最终采用锚杆技术和碳纤维布加固方案的根本所在。
（二）方案的选择
本桥台改造设计，可采用两种方法：
方案一是全面改造既有桥台，即为将该U型浆砌片石桥台改造成为混凝土T型桥台。因为U型桥台虽然有节省材料的优点，但也有着容易出现病害和使用寿命较短的缺点，故新建铁路桥台基本不再采用该类型桥台，而是采用T型桥台。
但是采用T型桥台后，既有梁体就不再适用，并且北京方桥台和中间2处桥墩同时应该进行改造，该设计方案虽然能够全面解决病害问题，该方案概算投资不低于260万，并且对运输影响巨大。对于桥梁大修年度总投资而言，本处采用大型桥梁大修改造的费用将会相对压缩其他项目投资，虽然可以进行最加投资，但在没有全面研究讨论其他设计方案前，该方案只可作为备选方案，但非最佳方案。
方案二是采用 “小型外科手术”的方法对该桥进行改造，延长结构寿命，节省整体投资。这种 “小型外科手术”就是采用锚杆和碳纤维对病害桥台进行加固。该方案概算投资仅为5万多元。
在投资比较上孰优孰劣，显而易见，但采用锚杆和纤维布的这种加固方案是不是合理，还要进一步进行分析。
（三）采用锚杆和纤维布加固桥台的合理性、可行性分析
该结构的病害产生的原因：多年荷载，特别是列车动荷载冲击造成桥台后土体对台前墙压力增大，加上浆砌片石桥台的整体性差，最终造成桥台的断裂。所以根据以上原因分析，只要采取以下措施，就能将此桥台病害进行整治：1、采取减小或抵消桥台后土体压力的措施；2、修复加固断裂桥台，使桥台恢复良好地整体工作状态。根据锚杆和纤维布两者的特点，只要在合适位置设置一定数量及长度的锚杆，采用一定措施用碳纤维布将桥台进行包裹加固，即可对病害进行整治消除。
锚杆的设计使用方法
锚杆施工对周围环境破坏很小，很适合在既有结构物加固改造使用。根据病害桥台外观观察分析，其外边墙上部至桥台前墙底端有2-5mm宽的贯通性裂纹，说明桥台整体断裂成两段，台后填土肯定也会随之裂成两大块而产生一定的空隙。
考虑到以上情况，该设计在桥台布置锚杆情况如下：
1、在桥台胸墙两侧位置，位于距台垫石顶到台顶距离1/3和2/3处，分别对称布置锚杆两根；其中布置于1/3处锚杆长度采用18m，有效长度10m，水平夹角15°，2/3处的锚杆采用植筋胶固定于桥台边墙内，作用为将破损桥台
2、桥台前墙纵向和横向位置的1/3和2/3处，分别布置4根锚杆，
3、锚杆材料均采用φ32mm精轧螺纹钢，并作达克罗防腐处理；锚杆有效长度采用M30高压水泥砂浆灌注，其直径为20cm；锚杆外端设锚头和Q235锚垫板并作防腐处理；植筋胶采用慧鱼植筋胶。水泥砂浆达到设计强度后，需锚杆施加预应力，应力值为50KN。
碳纤维的设计使用方法
碳纤维布有强度高，重量轻的特点，用于既有结构加固时，其产生的附加重量可以忽略不计。考虑到列车活荷载，特别是冲击荷载是造成病害的主要原因，而碳纤维布主要靠粘帖后的剪力和抗拉力抵抗这种冲击荷载。
为使碳纤维布更好地配合锚杆共同作用，本次大修加固设计中，对桥台外观进行了简单改造并粘帖碳纤维布：
1、将外边墙砌石风化凿除，墙体设置φ22mm钎钉，间距0.5m，呈梅花状布置；
2、墙外挂φ6mm钢筋网，网格大小为0.25m×0.25m，网格节点设于钎钉处，设置5cm厚C40纤维混凝土保护层并压光；
3、粘帖碳纤维布（300g），范围为外边墙、前墙全部及胸墙锚杆设置处。
（三）锚杆和碳纤维共同作用原理简述
当列车荷载传递在断裂开的两部分桥台时，锚杆内预应力或植筋产生的剪力将抵消一部分荷载，同时另一部分荷载将通过外边墙、前墙传递到钎钉、钢筋网和混凝土保护层，继而到碳纤维布，碳纤维布的拉力和粘帖抗剪力将其“消化”。
因为该桥台病害持续有一段时间，砌石及土体内可能出现空隙的问题，故在碳纤维布粘帖后，又考虑了桥台砌石及土体压注水泥浆的加强措施。
加固效果
该桥台经过整治，消除了既有病害，经过长时间验证，本次加固整治效果良好。
六、结束语
采用锚杆和碳纤维加固的方法，具有极高性价比，既整治了病害延长了结构使用寿命，又及大地节省了投资，减少了对运输的影响。但铁路设备改造投资的意义不在于投资多少，而是保证安全的前提下所收到的效益。
此桥梁采用该方式病害整治后，至今已继续安全运营3年多仍然坚固完好，相对于其52倍投资的桥梁全面改造和100年的使用寿命而言，已经完全达到并超出了大修改造应得到的效益，这包括实际投资和对运输影响造成的经济损失。为保证铁路运输安全，该桥的全面整治设计、施工肯定会在不远的将来展开，本加固方法在未来的既有桥梁及其他建筑物的加固设计施工仍具有一定的参考意义。
