既有重载铁路病害涵洞波纹板加固技术尚培培【摘要】针对一重载铁路涵洞出现的掉块、露筋、腐蚀等问题,通过现场检测分析了病害原因.综合考虑涵洞净空、经济性和工期提出了一种适宜于重载铁路病害涵洞加固的新技术——波纹板加固技术.利用ANSYS有限元软件建立了涵洞与波纹板共同作用分析模型,分析了重载列车作用下波纹板结构内力、变形以及螺栓的抗剪承载力.对该涵洞加固前后盖板钢筋受力及挠度进行了测试.计算及测试结果表明:重载列车作用下,涵洞跨中波纹板最大Mises应力出现在倒角部位,最大值为11.8 MPa,小于Q345钢材的容许应力;跨中最大挠度为0.33 mm,挠跨比远小于规范规定的普通高度钢筋混凝土梁竖向挠跨比通常值;实测23 t轴重5 400 t编组列车作用下,加固前后跨中顶板钢筋应变降低了55.8%,盖板挠度降低了91.4%,加固效果明显.%In view of the culvert defects such as block falling,rib exposure and corrosion occurred on a heavy haul railway,the culvert defect causes were analyzed by site prehensively considering culvert clearance,economical efficiency and construction period,a new reinforcement technology suitable for heavy haul railway defect culverts was put forward,that is corrugated plate reinforcement technology.A interaction model of culvert and corrugated plate was established by ANSYS finite element software.The internal force,deformation and shear resistance of the corrugated plate structure under heavy haul train load were analyzed.The bar force and cover plate deflection were tested before and after culvert reinforcement.The calculation and test results show that under heavy haul train load corrugated plate culvert maximum Misesstress appears at chamfering position,and the maximum value is 11.8 MPa,that is far less than allowable stress of Q345 steel.The maximum deflection is 0.33 mm.The deflection span ratio is far less than the average deflection span ratio of common height reinforced concrete beam ascertained by specification.Under 23 t axle and 5 400 t marshalling train load,the steel strain of roof plate midspan before and after reinforcement was reduced by 55.8%,and plate deflection was reduced by 91.4%.The reinforcement effect was obvious.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2017(057)008【总页数】4页(P50-53)【关键词】重载铁路;涵洞加固;病害成因;数值计算;现场测试;波纹板【作者】尚培培【作者单位】朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁 062350【正文语种】中文【中图分类】U457+.2在我国重载铁路如大秦线［1］、朔黄线等线路上，受重载列车的长期冲击作用，大量钢筋混凝土盖板涵出现开裂、露筋、掉块等病害。
由于涵顶盖板的开裂、掉块，出现涵内积水，致使涵洞基础松软、变形、下沉。
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，威胁行车安全。
盖板涵结构损伤会加剧，甚至出现疲劳破坏。
加固病害涵洞通常采用增大截面加固法、内套框构法、更换既有钢筋混凝土盖板法、灌浆封闭裂缝法、体外预应力加固法、粘贴钢板法等加固方法［2-3］。
增大截面及内套框构法会导致涵洞净空减少，通行能力下降，且施工周期较长。
粘贴钢板法可以提高顶板、倒角(中墙)的抗弯强度，并封闭节间接缝防止渗水，但是强度提高幅度有限，后期易出现节间接缝渗水。
更换既有钢筋混凝土盖板在既有重载线路施工中可行性较差，在天窗点内基本不可能实现。
封闭裂缝只是对裂缝进行封堵，起不到加固的作用。
基于以上问题，本文针对目前一重载铁路涵洞出现的病害问题，提出一种新型的加固技术——波纹板加固技术。
该技术主要是利用适当增大截面尺寸提高抗弯刚度的原理，将复合材料、钢质或铝合金质板材沿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)、椭圆或矩形等形式，可用于新建承载结构及病害结构加固工程。
一重载铁路盖板箱涵净宽6.0 m，净高4.3 m，长23.4 m，为立交而设。
该涵洞按照通用图《钢筋混凝土、混凝土及石盖板箱梁(肆桥5009)》设计，设计列车竖向静活载采用“中-活载”。
涵洞为M10浆砌片石墙身，墙身上端是 C15混凝土顶帽和C20钢筋混凝土盖板。
由于受长时间、大轴重、长编组列车的作用，该洞钢筋混凝土盖板及侧墙出现多处裂缝，有的已露出钢筋。
混凝土盖板开裂掉块，涵内积水，铺砌松软变形、下沉，造成了板涵承载能力降低，抗剪强度减小，稳定性差。
板涵防水结构已大部分损毁，潮湿的空气及雨雪侵蚀板内钢筋，使得病害进一步发展。
对该涵洞病害原因从以下4方面予以分析。
1)填土厚度。
该涵洞为跨度6.0 m的分片式钢筋混凝土盖板涵，整体性差，加上涵顶填土厚度较小，在列车动力作用下盖板钢筋应力增加，变形增大，承载能力不足，甚至可能发生疲劳破坏。
2)钢筋混凝土盖板配筋率。
当配筋率较小时疲劳受钢筋控制，破坏形式为正截面开裂;当配筋率较大时表现为混凝土斜截面和局部压碎疲劳破坏形式。
涵洞盖板的配筋率普遍偏大，属于后一种破坏形式。
对于盖板涵洞，混凝土盖板结构在列车荷载的反复冲击下不断产生变形，随时间发展钢筋和混凝土可能会产生疲劳破坏。
盖板结构局部可能因拉压作用的影响而开裂，发生层离、脱落、掉块等病害。
3)盖板保护层厚度。
盖板保护层厚度越大混凝土承载力变化幅值越小，混凝土的耐久性越好。
保护层能够有效阻止有害成分进入结构内部，防止钢筋锈蚀、内部产生裂缝等。
从该涵洞盖板裸露的钢筋部位看，保护层仅1～2 cm，与设计厚度相差很大。
由于混凝土强度低，密实性差，在长达15年的使用过程中混凝土的碳化、碱集料反应等因素使得钢筋不同程度地锈蚀，强度降低，直径变细，承载能力严重下降。
4)墙身承载力。
该盖板涵洞采用 M10浆砌片石墙身，墙身上端是C15混凝土顶帽。
其本身设计标准不高。
施工时易引起质量缺陷的因素较多，如施工过程中立模不标准，振捣不密实，早期受冻使构件表面出现裂纹、局部剥落，施工时拆模过早、混凝土强度不足使得构件产生裂缝等。
这些都会与墙身顶帽混凝土后期是否产生裂缝、蜂窝麻面、脱落等病害有直接的关系。
砌石墙身勾缝质量差，涵身劣化严重，以致涵洞整体强度和耐久性下降。
从涵洞净空、加固效果、经济性以及工期角度考虑，目前采用套涵、粘贴钢板以及更换盖板的方法性价比较低［4-6］。
针对该涵洞掉块、露筋、腐蚀等情况，并考虑到后期该线路运营30 t轴重重车，通过方案比选拟定采用波纹板加固技术进行加固。
为了保证波纹板结构的加工精度，加固前利用三维激光扫描仪对病害涵洞断面尺寸进行了扫描。
依据扫描结果对采用的波纹板进行了结构设计，重点确定了截面形状(波距、波高、回转半径等)、板型以及基础结构形式等。
具体设计见图1—图4。
采用有限元软件ANSYS建立了波纹板结构-既有涵洞相互作用三维模型。
计算模型中的涵洞、过渡段以及注浆层采用三维8节点Solid45单元进行模拟，波纹板采用4节点Shell63单元进行模拟。
模型共划分单元144 320个，节点总数143 877个。
建立的有限元模型如图5所示。
计算参数取值参见《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)［7］、《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)［8］以及《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2—2005)［9］中的规定，见表 1。
1)荷载图示目前既有重载铁路最大列车轴重为25 t，考虑后期运营30 t轴重列车，因此，采用活载等级系数 z=1.2的ZH荷载图示进行分析，具体图式参见文献［10-12］。
2)竖向荷载列车荷载对涵洞的作用效应沿涵洞横向的分布具有较好的规律性，与车辆参数(轴距及轴重)的加载效应无明显关系。
TB 10002.1—2005中计算活载对涵洞的竖向压力时，假定活载在轨底平面上的横向分布宽度为2.5 m，其在路基内与竖直线成一角度(其正切为0.5)向外扩散，竖向压力qh计算式为式中h为轨底以下的深度。
动力系数取值采用TB 10002.1—2005中规定的计算方法，即式中:μ为动力系数;α为影响系数;L为计算跨度。
该涵洞跨度为6 m，轨底至涵洞顶面填土高度 h为0.6 m，设计行车速度为60km/h，则α=1.6，1+μ=1.27。
依据前期实测值，本次检算1+μ取1.37。
计算可得波纹板内力、变形分布图及螺栓受力分布云图，进而得到最大应力及变形。
1)波纹板内力重载列车作用下，涵洞跨中波纹板最大主应力为6.3MPa，最大 Mises应力出现在倒角部位，其值为11.8 MPa。
二者均小于 Q345钢材的容许应力125 MPa。
波纹板内力较小的原因是:①既有盖板还未完全失效，承担了部分传递至盖板的列车荷载;②波纹板与盖板之间的注浆层同样承担了部分传递至波纹板顶面的荷载;③原来既有盖板是分片式单向简支板，加固后的涵洞注浆层与波纹板成为双向固支的板，涵洞跨中波纹板应力必然减小。