蔣 薇,蘇 謙,黃俊杰,楊玲玲,喬 珊
(1.西南交通大學土木工程學院,四川成都 610031;2.西南交通大學道路工程四川省重點實驗室,四川成都 610031;3.四川科特建設管理有限公司,四川成都 610000)
某既有線橋梁屬于預應力混凝土簡支梁橋,全橋長425.82 m,橋面縱坡11.2‰,位于R=450m圓曲線路段。兩側橋臺為擴大基礎,其余橋墩基礎為樁基基礎,樁徑為1.25m。樁和承臺為C18鋼筋混凝土材料,屬于低標號混凝土;墩身均為矩形實體墩,橋臺為T形橋臺。墩、臺材料為C13片石混凝土,支座皆為搖軸式支座。
該大橋所在地區(qū)地貌和地質類型較復雜,斷裂縱橫,巖體破碎,巖性多變。區(qū)內碳酸鹽分布廣,巖溶、膨脹巖土、軟質泥炭土、暗河、漏斗等溶蝕地貌顯著。
綜合前期系統(tǒng)監(jiān)測、現(xiàn)場調研和數(shù)據(jù)分析,該承臺病害產(chǎn)生原因主要有以下3點:
1)墩身橫向振幅超限問題,可能主要由以下幾方面或單方面原因,即①墩身橫向剛度不足;②橋墩基礎不穩(wěn);③上部結構橫向荷載過大。
2)材料的強度不夠,承臺使用的是C18鋼筋混凝土材料,按現(xiàn)有規(guī)范的設計要求似嫌不足。
3)橋梁基礎問題,地基溶洞和裂隙極為發(fā)育,巖層強風化和中風化,部分橋墩樁長不足,支撐于軟巖或極軟巖上,甚至嵌在砂層中,在車—線—橋系統(tǒng)耦合作用下,導致橋墩及承臺基礎沉降和不均勻沉降。
既有鐵路橋基礎病害整治是一個多因素相互作用的綜合性工程,整治方案的科學和整治工藝的合理排序關乎整個整治工程的成敗。一個具體實施的整治方案和工藝,需要多方論證和研究。
1)加固設計應與施工方法緊密結合,并采取有效措施,保證新老結構連接可靠、協(xié)同工作。
2)加固設計及施工盡量不損傷原結構,并保留具有利用價值的構件,避免不必要的拆除或更換。
3)加固設計應符合相應規(guī)范承載力設計值的要求。
4)保證運營安全。
根據(jù)前期監(jiān)測和勘察結果,經(jīng)過多方論證與研討,對該大橋的承臺采用擴大基礎外包式,如圖1所示。此法適用于基礎承載力不足或埋置太淺,而墩臺又是磚石或混凝土剛性實體基礎,并適用于基礎發(fā)生較大不均勻沉降的情況。為使新舊承臺結合良好,采用植筋法連接新老承臺,即通過植入鋼筋錨栓承接和傳導彎矩及剪力,使新舊混凝土形成有機整體共同承擔上部荷載。為加強新舊混凝土的結合,應把原承臺與新增承臺的結合面進行百分之百的鑿毛,鑿毛過程中,盡可能鑿除原承臺有蜂窩或空洞缺陷部分。鑿毛后,在需要植筋部位打孔至設計深度,然后清洗混凝土表面并保持表面濕潤。完成以上工作后,在鋼筋及其植筋孔內表面涂抹植筋膠,植入設計長度的φ25鋼筋錨栓,待鋼筋錨栓穩(wěn)固后澆筑新承臺混凝土。
圖1 承臺加固方案
1)樁對承臺的沖切作用檢算方法[4]
根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》,對于柱下矩形獨立承臺受柱沖切的承載力可按下式計算
式中 Fl——不計承臺及其上土重,在荷載效應基本組合下作用于沖切破壞椎體上的沖切力設計值;
ft——承臺混凝土抗拉強度設計值;
hc,bc——分別為 x、y 方向的柱截面的邊長;
a0x,a0y——分別為 x、y 方向柱邊至最近樁邊的水平距離;
βhp——受剪切承載力截面高度影響系數(shù)。當h≤800mm 時,取 βhp=1.0;當 h≥2 000mm 時,取 βhp=0.8。
2)角樁對承臺的沖切計算方法[4]
根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》,四樁以上(含四樁)承臺受角樁沖切的承載力可按下式計算
式中 Nl——不計承臺及其上土重,在荷載效應基本組合作用下角樁(含復合樁)反力設計值;
β1x,β1y——角樁沖切系數(shù);
a1x,a1y——從承臺底角樁頂內邊緣引 45°沖切線與承臺頂面相交點至角樁內邊緣的水平距離;當柱邊或承臺變階處位于該45°線以內時,則取由柱邊或承臺變階處與樁內邊緣連線為沖切錐體的錐線;
h0——承臺外邊緣的有效高度;
λ1x、λ1y——角樁沖跨比,λ1x=a1x/h0,λ1y=a1y/h0,其值均應滿足 0.25~1.0的要求。
βhp——受剪切承載力截面高度影響系數(shù);當h≤800mm時,取βhp=1.0;當 h≥2 000mm 時,取 βhp=0.8。
3)受剪檢算方法[4]
根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》,柱下獨立樁基承臺斜截面受剪承載力應該按下列公式計算
式中 V——不計承臺及其上土自重,在荷載效應基本組合下,斜截面的最大剪力設計值;
ft——混凝土軸心抗拉強度設計值;
b0——承臺計算截面處的計算寬度;
h0——承臺計算截面處的有效高度;
α——承臺剪切系數(shù);
λ——計算截面的剪跨比,λx=ax/h0,λy=ay/h0,此處,ax、ay為柱邊或承臺變階處至x、y方向一排樁的樁邊的水平距離,其值均應滿足0.25~3.00的要求;
βhs——受剪切承載力截面高度影響系數(shù);當h0<800mm 時,取 h0=800mm;當 h0>2 000mm時,取h0=2 000mm。
植筋技術又稱為錨筋技術,是一種新型混凝土結構加固技術。該技術采用沖擊電鉆在現(xiàn)有混凝土等結構上鉆孔,然后用植筋膠填塞,最后栽植鋼筋,使鋼筋和混凝土緊密結合,以達到增強新增加固材料與老結構的連接性能,同時又可使所植鋼筋起到剪力鋼筋的作用。
根據(jù)設計文件,該大橋墩臺采用C13片石混凝土,承臺為C18鋼筋混凝土材料,其材料強度均不能滿足規(guī)范[5]對同類構件混凝土強度等級不低于C25的要求。因此,《混凝土結構加固設計規(guī)范》已不能作為該大橋的設計依據(jù)。這就對該承臺加固植筋技術提出了考驗,亦即,如何設計植筋的錨固深度、布置形式成為加固的關鍵。經(jīng)過多方研究討論,再三考慮《混凝土結構加固設計規(guī)范》的適用性,本次設計仍然將該規(guī)范作為設計標準,但在取值的時候可以選擇乘以一個放大相關系數(shù)Ψ=1.5,以確保能滿足低標號承臺植筋加固的設計需求。
選取合理的錨固深度能使植筋在不損壞原結構的情況下,使新增結構與原結構緊密結合形成整體,增強結構的承載力和穩(wěn)定性。
植筋的基本錨固深度ls的計算公式[6]
式中,防止混凝土劈裂引用的計算系數(shù)aspt=1.0;植筋公稱直徑d=16 mm;鋼筋的抗拉強度設計值fy=455mPa;膠黏劑的黏結強度設計值fbd=2.14 MPa。計算得錨固深度ls=680mm,在此基礎上再乘以一個放大相關系數(shù)Ψ=1.5,得到基本錨固深度l's=1 020mm。
對于該大橋,可采用構造要求植筋確定最終錨固深度,對于受拉鋼筋錨固:最小錨固長度lmin應該選取max{0.3 ls=306 mm;10d=160mm;100mm},由此,可確定該設計植筋的錨固深度ls=300mm。
在設計滿足要求后,施工質量的好壞決定承臺加固施工的成敗。因此對植筋技術做如下說明:
1)將設計接觸面的墩身和承臺部分開挖露出,對設計接觸面進行鑿毛,鑿除深度25~30mm,并清洗干凈,以保證接觸面黏接強度。
2)植筋按梅花形布置,詳見墩身植筋布置大樣圖2。
圖2 墩身植筋布置大樣(單位:cm)
3)將植筋孔放位,采用電錘隔孔鉆孔方式(嚴禁使用氣錘鉆孔,以防止出現(xiàn)局部松散,開裂),要求后續(xù)植筋工序跟進,每一面植筋孔數(shù)量不允許出現(xiàn)大于3個,鉆孔深度為300mm,鉆孔深度檢驗差值不能超過5mm。邊孔距離結構邊緣≥150mm,相鄰接觸面植筋采用“間隔臨近”方式,詳見相鄰面植筋布置大樣圖3。
4)橋墩墩身下部及承臺頂、側面要鑿毛,頂面不鉆孔植筋,側面鉆孔植筋,植筋方式詳見植筋布置大樣圖4。
5)采用壓縮空氣設備清理鉆孔,嚴禁用水清洗,以防孔內潮濕,影響植筋質量。
6)所植鋼筋采用HRB335φ16 mm帶肋或螺紋鋼筋,鉆孔直徑為20mm;植筋膠黏劑采用A膠或B膠,必須按照《混凝土結構加固設計規(guī)范》相關要求進行安全性檢驗。
圖3 相鄰面植筋布置大樣(單位:cm)
圖4 側面植筋布置大樣(單位:cm)
1)結合加固承臺的基本原則,對承臺采用擴大基礎外包式,在新舊混凝土接觸面進行鋼筋植筋,使新承臺與舊承臺完全結合共同作用,來控制橋梁的不均勻沉降,以保證列車正常安全舒適的運行。
2)承臺屬于低強度指標混凝土,在加固植筋技術中已不能采用現(xiàn)行規(guī)范作為承臺加固設計依據(jù)。本文對承臺植筋的技術提出更為詳細的建議。
3)與此同時,由于缺乏規(guī)范的指導,上述的相關參數(shù)均依據(jù)相關加固設計經(jīng)驗得出,施工時應進行植筋抗拉試驗,以檢驗和評價植筋質量。
[1]袁善堤.超低標號混凝土樁基承臺加固[J].浙江建筑,2010,27(7):43-45.
[2]張永厚,張永峰.中山市沙崗立交橋使用狀態(tài)檢定和加固方法研究[J].鐵道建筑,2012(5):11-13.
[3]王振領,林擁軍,錢永久.新老混凝土結合面抗剪性能試驗研究[J].西南交通大學學報,2005,40(5):601-604.
[4]中華人民共和國建設部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.
[5]中華人民共和國建設部.JB 50367—2006 混凝土結構加固設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.
[6]王春林,陳越粵,周強.對《混凝土結構加固設計規(guī)范》中植筋技術的討論[J].特種結構,2008,25(1):103-104.