浅谈铁路桥涵混凝土护栏立柱加固的技术研究与应用

贺超波

中国铁路广州局集团有限公司长沙工务段  湖南长沙  410000

摘要：铁路桥涵顶部混凝土护栏大多数采用混凝土预制拼装结构，其混凝土强度较低、保护层较薄，随着时间推移，护栏立柱内钢筋被侵蚀、混凝土保护层开裂剥落,大大降低护栏立柱承载能力，导致混凝土护栏存在倾覆掉落的风险，危及桥下人员及车辆通行安全，本文以长沙市丽江路过京广铁路涵洞拓改工程为例，对铁路桥涵混凝土护栏立柱加固的技术研究与应用进行初步探讨。

关键词：铁路桥涵；护栏立柱；加固

一、引言

受城市交通建设发展的影响，在城市中有许多下穿铁路桥涵结构，桥涵顶部设置有混凝土护栏，大多数护栏采用混凝土预制拼装结构，其混凝土强度较低、保护层较薄，随着时间推移，在四季温度交替变化、雨雪侵蚀、外力作用等综合影响下,护栏立柱内钢筋易被侵蚀、混凝土保护层开裂剥落,大大降低护栏立柱承载能力，导致混凝土护栏存在倾覆掉落的风险，危及桥下人员及车辆通行安全。

根据最近几年的调查和研究，目前部分城市中的桥涵涵顶防护栏杆已出现上述病害，对桥涵下面行人及车辆造成了安全隐患，本文以长沙市丽江路过京广铁路涵洞拓改工程为例，对铁路桥涵混凝土护栏立柱加固的技术研究与应用作如下浅谈。

二、工程概况

长沙市丽江路过京广铁路涵洞拓改工程（京广线K1577+608）为一新建4孔框架桥涵，总长54m，与城市主干道丽江路呈60°角斜交，全桥采用预制拼装式栏杆栏板结构，其中立柱埋入基础混凝土内并用锚固砂浆进行锚固，立柱内部镂空，两侧采用预制栏杆板对拼，卡入栏杆槽内8~10cm;立柱卡槽壁厚6~8cm，混凝土保护层厚度3cm；桥下行人、车辆来往繁忙。

三、施工方案

（一）方案比选

如概况中所述，框架涵位于京广线上，该铁路线运输繁忙、施工安全要求极高，又框架涵位于城市主干道上，往来人流车辆繁忙。

若对原栏杆立柱破除，重新进行钢筋混凝土立模现浇施工，虽然可以保证栏杆立柱的牢固性和耐久性，但实施起来较为困难：首先拆除工作量大，拆除困难，需要吊车等大型设备配合，要申请慢行和封锁点进行施工，对铁路行车影响大；其次拆除过程中会产生碎块，存在坠落风险，对桥下通行的人员车辆造成安全隐患；第三，重新进行立模浇筑时，靠铁路栏杆外侧几乎无作业空间，钢筋安装、模板架立非常困难；第四，采用该方案工序多、耗时长，全部整改完成要约一个月时间；最后，从成本上考虑，须投入大量人力、物力，成本高昂。

若保留原栏杆立柱不动，采用钢筋混凝土对其进行包裹加固，虽然也能增强栏杆立柱的牢固性和耐久性，但同样具有很多不足：首先工作量仍旧较大，如需重新凿毛、植筋、立模板，虽然不需要吊车等大型设备配合，但仍要申请慢行点进行施工，对铁路行车影响较大；其次凿毛、立模等过程中，难免会产生小型坠物，对桥下通行的人员车辆造成安全隐患；第三，同样需要立模浇筑，靠铁路栏杆外侧几乎无作业空间，钢筋安装、模板架立非常困难；第四，采用该方案工序依旧较多、耗时较长，全部整改完成至少要半个月时间；第五，后浇混凝土与原立柱混凝土间存在施工缝，特别是在火车振动荷载下，整体联结效果难以保证；最后，从成本上考虑，仍须投入较多人力、物力，例如浇筑混凝土时，受客观条件影响，只能人工转运混凝土进行浇筑，效率低，成本较高。

若保留原栏杆立柱不动，采用“几”字形钢槽+法兰盘结构对其进行包裹加固，不仅同样能增强栏杆立柱的牢固性和耐久性，而且还具备省时省力成本较低等优点，表现在：首先工作量较小，不需要凿毛、植筋、立模板，也不需要吊车等大型设备配合，对铁路行车安全影响很小；其次在施工过程中，几乎无坠物产生，对桥下通行的人员车辆基本不造成安全隐患；第三，采用该方案工序很少、耗时短，全部整改完成3~4天即可，对铁路正常行车影响很小；最后，从成本上考虑，投入的人力、物力均很小，效率高，成本低。

总而言之，针对既有线铁路护栏立柱加固施工的特殊性，若采用对原栏杆立柱破除、重新进行钢筋混凝土立模现浇施工或保留原栏杆立柱不动、采用钢筋混凝土对其进行包裹加固施工，一是操作不便、施工困难，二是安全风险较大，三是成本支出高，耗时长。经过比选，故决定采用保留原栏杆立柱不动，用“几”字形钢槽+法兰盘结构对其进行包裹加固的施工工艺。

（二）结构设计  

图1 栏杆立柱“几”字形钢槽加固布置详图1

图2 栏杆立柱“几”字形钢槽加固布置详图2

如图1、图2所示，“几”字形钢板采用不锈钢板，从栏杆立柱两侧分别包裹住立柱，并在栏板上钻眼，通过高强螺栓将两块钢板进行连接。

“几”字形钢板底部与法兰盘进行满焊焊接，法兰盘厚度不小于10mm，为增加受力结构稳固性，在两者间设置3块加劲肋板，同样进行双侧满焊连接。

法兰盘上设置螺栓孔眼，单侧布置4个，孔眼大小Φ20，采用高强胀锚螺栓锚入基础帽石混凝土中进行固定。

（三）方案设计

1.基本结构参数

根据上述加固结构设计图，该钢结构加固体系相关设计数据如下：

（1）“几”字形钢板：采用Q345不锈钢板，厚度8mm。（2）对拉螺栓：采用Φ16高强螺栓，配置双螺母及垫片。（3）底部法兰盘：采用Q235不锈钢板，厚度10mm。（4）加劲肋板：采用Q235不锈钢板，尺寸大小为150×100×10mm。（5）胀锚螺栓：采用Φ16高强胀锚螺栓，配置垫片，锚固深度不小于15cm。（6）钢板间焊缝均采用双面角焊缝，焊缝高度不得小于6mm。

2.简单受力分析计算

护栏立柱主要受防护栏板传递过来的风荷载力，此为均布荷载，以及栏杆所受的水平集中荷载力，该二力共同作用在护栏立柱上，其中：

（1）风荷载大小

按照《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）考虑，风荷载大小应为：W=K1K2K3W0

其中：W0——基本风压值，根据附录C取值500Pa;K1——风载体形系数，取值1.3；K2——风压高度变化系数，根据表4.4.1.2取值应为1.0；K3——地形、地理条件系数，根据根据表4.4.1.2取值应为1.0。则有：W=K1K2K3W0=1×1×1.3×500=650Pa。则单块防护栏板承受风荷载大小值为：G1=650×2.6×0.85=1.437KN（栏板尺寸大小2.6×0.85m）

（2）栏杆水平推力荷载大小

按照根据《铁路桥涵设计规范》（TB10002-2017）第4.5.2条，防护栏板水平推力应按0.75KN/m集中力考虑，其大小值为G2=0.75×2.6=1.95KN

（3）“几”字形钢板加固体系受力模型分析

根据前述受力荷载计算结果，单根栏杆立柱主要受栏杆板风荷载的力作用，为均布荷载、悬臂结构受力，即M1=qL2/2；同时还受栏板水平集中荷载、悬臂结构受力，即M2=FL，二力共同作用，对其进行强度、刚度检算。

（4）焊缝强度检算

本结构焊接均采用角焊缝进行连接，根据《钢结构设计规范与钢结构设计计算、安装技术实用手册》中表14-7选取符合其受力模型并结合角焊缝计算通用公式（如下式）进行检算。

其中：N——轴力，为0；V——作用在焊缝上的剪力值，V=（1.671*0.86+1.95）/2=3.387KN；σf——垂直于焊缝长度方向的应力，按焊缝有效截面lwhe计算；τf——沿焊缝长度方向的剪应力，按焊缝有效截面lwhe计算；hf——贴角焊缝的厚度，根据钢结构设计规范表14-6取值应不小于5mm，此处考虑6mm；he——角焊缝的计算厚度，取值0.7hf；lw——角焊缝计算长度，取实际长度减去2hf，hf取值506mm；βf——角焊缝的强度设计值增大系数，取值1.22；ffw——贴角焊缝容许应力值，根据钢结构设计规范表14-3取值为200Mpa（母材Q345钢，焊条采用E50型）。则有“几”字形钢板焊缝受力检算：

检算焊缝强度不符合要求，故应增设加劲肋板进行加固。

当考虑增设加劲肋板进行双面焊，按照承受间接动力荷载考虑，则有：

其中：M——作用在肋板上弯矩值，M=（1.671*0.86+1.95）*0.15/（3*2）=0.085KN·m（肋板3块）;N——轴力，为0；Q——作用在焊缝上的剪力值，Q=（1.671*0.86+1.95）/2=3.387KN；代入计算有：故增加加劲肋板后，焊缝强度满足要求。

（5）胀锚螺栓相关检算

采用Φ16胀锚螺栓进行固定，材质为Q235钢，则根据《简明施工计算手册》表13-12可知：

容许拉力大小为19.4KN、剪力大小为13KN、最小埋深不小于9cm。

又根据钢结构设计规范表14-15，可知螺栓最小容许距离3d0，最大容许距离8d0或12t，其中：d0——为螺栓孔眼大小，取值为20mm；t——为法兰盘钢板厚度，取值10mm。

则可知螺栓间最小容许距离3d0=60mm，最大容许距离12t=120mm；螺栓距离钢板边缘最小为2d0=40mm，最大距离8t=80mm，此处取中间值60mm，满足要求。

3.护栏立柱加固施工

（1）首先对护栏立柱表面进行打磨，保证整体平整，无突出物；然后测量护栏立柱内外侧基础帽石面高程，若有高低差则需要进行补高差和找平处理，内外高差不得大于2mm，避免对拉螺栓孔眼因无法对中而影响拼装。

（2）然后将“几”字形钢板卡进护栏立柱上，定位胀锚螺栓孔及对拉螺栓孔位置，接着撤离“几”字形钢板，用电钻进行钻眼施工。

（3）以上工作准备好后，用聚氨酯胶或环氧树脂胶涂抹在护栏立柱上，用于填塞与钢构件之间的空隙，厚度1~2mm，以保证钢构件安装后无空隙为准。

（4）接着进行“几”字形钢板安装：先安装铁路一侧，将其卡主护栏立柱并立在基础帽石面上稳定后，并用两根胀锚地脚螺栓将其固定，然后同样方法安装铁路外侧“几”字形钢板，；接下来用对拉螺栓将两侧钢板进行联结，最后将剩余胀锚地脚螺栓进行安装紧固。

（5）重复以上步骤，完成剩余所有护栏立柱的加固施工。

4.加固效果评价

涵顶防护栏杆立柱加固完成后，发现“几”字形钢槽及法兰盘底座能与栏杆立柱很好地密贴，成为一个较为牢固的整体，有效提高工程质量，具有操作简便、施工效率高等优点。

五、注意事项

（1）“几”字形钢板内径尺寸应比护栏立柱略宽1~2mm,以保证其能顺利拼装。

（2）“几”字形钢板与栏杆立柱之间间隙采用环氧树脂胶或聚氨酯胶等进行填塞，保证其密贴、受力均匀，同时也可起防水、防挤压剐蹭作用。

（3）底部法兰盘钢板与基础帽石之间间隙同样采用环氧树脂胶或聚氨酯胶等进行填塞，保证其密贴、受力均匀，同时也可起防水、防挤压剐蹭作用。

（4）“几”字形钢板、法兰盘钢板、加劲肋钢板的加工与焊接，应在工厂内加工完成，采用角焊进行满焊，焊缝高度及宽度不小于6mm。

（5）螺栓防腐采用多元合金共渗+锌铬涂层+封闭层进行处理，焊缝、钢板（除不锈钢板外）等应进行镀锌防锈处理。

（6）对拉螺栓紧固时，以拧紧后再稍稍用力紧固即可，不可用力过紧，以免应力集中破坏栏板。

（7）胀锚螺栓孔施工时，应竖直，孔眼须清干净，里面不得有积水、积灰。

（8）所有构配件现场安装完成后，外侧应再涂刷一层同栏杆色油漆，即保证美观也起到加强防锈蚀保护的作用。

（9）施工时，铁路线上及桥涵下面，均须配置安全防护员进行盯控，保护桥上桥下的行车安全及人身作业安全。

六、结束语

上跨城市道路的铁路桥涵栏杆立柱加固整改，不同于一般城市市政桥涵栏杆立柱加固整改，它既要考虑施工过程中对铁路运行的影响，还要考虑施工过程中对城市交通的影响，同时还要尽可能兼顾整改成本，通过本方案的设计，与其它施工工艺比较，采用保留原栏杆立柱不动，用“几”字形钢槽+法兰盘结构对其进行包裹加固的施工具有很大的优势，主要体现在：

（1）操作简单：主要体现在“几”字形钢槽等加固材料可在厂家提前加工好，现场可直接进行拼装；加固钢结构现场安装简单，需要的辅助工具仅需要电钻、扳手等小型工具即可。

（2）施工效率高：加固钢构件安装仅需2~3人即可完成，工序仅有对位内侧钢构件-临时固定钢构件-钻对拉螺栓孔眼-拼装内外侧钢结构-螺栓永久固定，共五道工序，每道工序用时都在几分钟到十几分钟之间，且可流水平行作业，大大提高施工效率。

（3）施工更安全：采用此方案，既不需要大型设备参与，也几乎不产生坠落物，需要参与的人员、设备、材料也较少，行车安全、人身安全风险均大大降低。

（4）成本低廉：材料上仅需加工钢构件及配套螺栓即可，设备无需吊车、泵车等大型设备，也无需电镐风枪等需要外接电源的中小型设备，人工上面仅需几个人就可操作完成，时间上仅需几天就可整改完毕，成本大大低于其它方案且可控。

（5）后期维护修缮工作量小：采用此钢结构进行加固，强度、耐久性均能满足要求，不像混凝土构件时间久了易开裂、修补困难，若需要更换钢构件，拆解及重新安装均很方便。

本方案将该内容予以介绍，希望其思路和做法可为类似工程参考借鉴。

参考文献

[1]  国家铁路局.TB 10002-2017.铁路桥涵设计规范.北京：中国铁道出版社，2017.5

[2]  国家铁路局.TB 10091-2017.铁路桥梁钢结构设计规范.北京：中国铁道出版社，2017.5

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