植筋技术在既有铁路桥梁加固中的应用

郑汝亮

(中国铁路昆明局集团有限公司滇中铁路建设指挥部，云南昆明 650011)

既有铁路桥墩基础病害主要体现在2000年前后施工的一些项目上。为了确保运营的安全，对病害桥梁需进行限速运营和长期的监控量测。

赵学军等研究了公路桥梁植筋技术工艺加固的要点并提出了一些建议[3-5]；贾红虎等基于高速公路及房屋建筑工程，对植筋技术的原理、施工技术、植筋孔径和深度进行了分析[6-9]；刘洪俊等针对公路桥梁加宽和新旧结构连接等情况，从植筋技术方面进行了研究分析[10-11]。田磊等对铁路桥梁病害及整治加固对策进行了探讨分析[12-15]；白殿涛等对既有桥梁支座病害进行了调查及原因分析[16]。这些研究均取得了一定的成果，但未对既有铁路桥墩植筋加固措施进行详细说明。

具体思路：首先介绍既有桥墩基础病害的概况，通过计算获得植筋体的承载力、布置形式、根数、锚固深度等技术参数[17-18]，并与施工设计图进行对比验证。

1 工程概况

1.1 既有桥梁概况

大丽铁路全长161.006 km，国铁Ⅰ级，设计速度120 km/h，为单线电气化铁路。2004年12月开工建设，2009年9月正式通车运营。下河村1号特大桥全长523.44 m，孔跨布置为5×32 m+21×16 m简支梁，桥梁位于R=1 200 m的圆曲线上，线路纵坡-3‰。桥址范围内地质条件较差，7号～21号桥墩位于深厚软土区，软土分为流塑-软塑状泥炭、软塑状泥炭质土、软塑状淤泥质土，软土厚15～36 m。0号桥台至21号桥墩基础为摩擦桩，桩径为1.0 m，最大桩长为67 m；承台为C20钢筋混凝土，墩身为C20混凝土(加护面钢筋)。

1.2 病害情况

2013年，桥下堆载及重车通行引起桥梁的7号～21号桥墩沉降及倾斜，2018年5月的监测结果表明，桥偏心达-8～205 mm；累计沉降达79～109 mm。

1.3 病害结果及趋势

2013年至2018年6月，该桥一直以80 km/h的速度通行(设计速度120 km/h)。根据2015年及2018年的监测结果，7号～21号墩沉降和倾斜的趋势仍在继续发展。

1.4 病害整治方案

采用“桩基加固+既有桥墩植筋连接+包护钢筋混凝土承台”的加固方案。对7号、8号、20号、21号桥墩，在线路两侧加六桩进行加固，与既有桥墩植筋连接，并包护钢筋混凝土承台，方案布置如图1(a)～图1(c)；对9号～19号桥墩，在线路两侧加八桩进行加固，与既有桥墩植筋连接，并包护钢筋混凝土承台，平面布置见图1(d)。

图1 桥墩整体加固方案布置示意(单位：cm)

2 植筋计算

2.1 单根钢筋承载力计算

(1)采用HRB400钢筋，相关指标如下：

f—钢筋抗拉强度标准值，取400 N/mm2；

As—钢筋的面积/mm2；

fv—钢筋受剪强度，取120 N/mm2；

受剪承载力计算公式

(1)

抗拉承载力计算公式

(2)

(2)植筋直径为20 mm，参照式(1)、式(2)计算。

单根φ20植筋的抗剪承载力

单根φ20植筋的抗拉承载力

取抗剪承载力37.68 kN确定植筋根数，植筋钻孔直径取25 mm。

(3)植筋直径为25 mm，参照式(1)、式(2)计算。

单根φ25植筋的抗剪承载力

单根φ25植筋的抗拉承载力

取抗剪承载力58.88 kN确定植筋根数，植筋钻孔直径取32 mm。

2.2 植筋布置形式确定

(1)植筋范围

根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2013)：植筋间距应大于6d，边距应大于3d(d为钢筋直径)。桥墩侧面采用φ20或φ25的HRB400钢筋，植筋间距为300 mm，边距为150 mm。

桥墩植筋底平面为263 cm×403 cm，墩身坡度为45∶1，高度3.5 m，故顶平面为247 cm×387 cm。植筋时，采用缩小的顶平面(245 cm×385 cm)进行植筋(见图2)。

(2)横桥向植筋根数

行根数：(2.45-0.15×2)÷0.3+1=8

排数：(3.5-0.15×2)÷0.3+1=11

两面最多可植根数：(8×11)×2=176

(3)纵桥向植筋根数

行根数：(3.85-0.15×2)÷0.3+1=12

排数：(3.5-0.15×2)÷0.3+1=11

两面最多可植根数：(12×11)×2=264

(4)确定植筋原则

植筋间距300 mm，边距不小于150 mm；纵桥向植筋根数为264根，横桥向植筋根数则根据纵桥向用足后的剩余控制轴力进行调整。桥墩植筋布置示意见图2。

图2 桥墩植筋布置示意(单位：cm)

2.3 植筋根数

根据单根钢筋承载力计算值，推算每个墩承台的植筋根数(如表1)。

表1 植筋根数

注：控制轴力N由设计单位提供，为“列车荷载里面的竖向力+梁部的自重+墩身的自重”折算到墩底处的竖向力。

根据计算结果：纵桥向植筋根数为264根；横桥向植筋根数最大为53根，小于最多植筋根数(176根)。

2.4 单根钢筋锚固深度计算

(1)根据现场实际情况，查《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2013)进行计算。

f—钢筋抗拉强度标准值，取400 N/mm2；

fv—钢筋受剪强度，取120 N/mm2；

fy—植筋抗拉强度设计值，取360 N/mm2；

aspt—为防止混凝土劈裂引用的计算系数，φ20钢筋取1.0；φ25钢筋取1.05；

fbd—植筋用结构胶粘剂的黏结抗剪强度设计值，取2.3；

ψbr—构件受力状态对承载力影响的系数，当为非悬挑的重要构件接长时，取1.15；

ψw—混凝土孔壁潮湿影响系数，取值1.1；

ψT—使用环境的温度T影响系数，当T≤60 ℃时，取1.0；

ψae-考虑植筋位移延性要求的修正系数，7度区的三、四类场地及8度区取1.25。

锚固深度计算公式

(3)

ψN=ψbrψwψT

(4)

ld=ψNψaels

(5)

(2)φ20植筋锚固深度参照式(3)、式(4)、式(5)计算，代入已知数值，有

ψN=ψbrψwψT=1.15×1.1×1.0=1.265

ld=ψNψaels=1.265×1.25×626=989(mm)

φ20植筋锚固深度取1 000 mm。

(3)φ25植筋锚固深度参照式(3)、式(4)、式(5)计算

ψN=ψbrψwψT=1.15×1.1×1.0=1.265

ld=ψNψaels=1.265×1.25×821=1 298(mm)

φ25植筋锚固深度取1 300 mm。

3 计算结果分析

3.1 相同部分(与设计施工图对比)

(1)植筋类型：直径为20 mm、25 mm，HRB400型的两种钢筋。

(2)植筋间距：300 mm行列式布置，边距采用150 mm。

(3)植筋锚固深度：C20植筋锚固深度取1 000 mm，C25植筋锚固深度取1 300 mm。

3.2 不同部分(与设计施工图对比)

横桥向植筋较施工图少61根，见表2。

表2 计算结果与设计施工图对比分析

3.3 整治效果

经过病害整治加固后，该桥由长期限速80 km/h恢复到设计速度(120 km/h)；近3个月的运营实践及监测表明，该桥加固效果良好。