化学锚栓在铁路桥梁人行道托架加固中的应用

曾召田，谢 超，贺海洋，尹 闯，吕 华

(1.桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林 541004;2.广西大学土木建筑工程学院防灾减灾研究所，广西南宁 530004;3.广西科学院编辑部，广西南宁 530007;4.南宁铁路局 百色工务段，广西百色 533000)

化学锚栓作为一种施工简单、效果可靠的新型构件，近年来被广泛应用于加固、改建、装潢等工程领域[1-3]。其工作原理是通过高强粘结剂(一般为热固性高分子材料)将高强螺杆与结构本体粘结后，再通过螺帽把加固钢板条连结固定，共同组成牢固的连接系统，因此具有较高的抗剪强度，能满足动荷载作用下抗疲劳的要求，具有施工速度快、锚固力强、性能可靠、应用范围广等优点。

南昆铁路所经地区地质条件极为复杂，地形极其险峻。百色工务段辖区内共有270座混凝土桥梁，桥梁建成并投入运营已有十余年，近年来人行道托架不断发生U型螺栓折断的现象[4]。螺栓是人行道托架锚固的唯一部件，U型螺栓的折断将导致人行道托架外倾、桥上混凝土步行板坠落，直接危及行人安全。课题组在调查分析螺栓折断原因的基础上，尝试采用FHK-VDP16化学锚栓代替U型螺栓，并且同时采用12 mm厚钢板作为加固板与原有托架焊接，形成整体共同受力的加固构件，探讨其对病害的整治效果。

1 U型螺栓折断病害原因及整治方案

1.1 病害原因分析

1)锈蚀失效

混凝土桥梁人行道托架长期暴露于大气中，U型螺栓经常受到日晒雨淋，逐渐氧化锈蚀失效。

2)受力过大

《混凝土桥》[5]中，将U型螺栓作为一个承受轴向力和剪力的构件进行计算，其承受的轴向拉力RH和剪力RV分别为

式中:M为作用于人行道的全部荷载对螺栓的力矩，h为U型螺栓中上下螺栓的间距，V为作用于人行道上的全部竖向荷载。

人行道托架为悬臂结构，1.5 m宽混凝土步行板的重量导致托架力矩M过大。根据式(1)、式(2)可知，螺栓承受的拉力RH和剪力RV过大，在其长期作用下，螺栓将逐渐破坏失效。

3)振动疲劳

列车通过桥梁时引起很大的振动，人行道托架随桥梁的振动而上下摆动，致使固定托架用的螺栓反复承受很大的剪切应力，从而导致螺栓中出现局部高应力区。在这种交变应力作用下，较弱的晶粒产生疲劳破坏形成微裂纹，逐步发展为宏观裂纹，裂纹继续扩展最终导致脆断[4]。因此，铁路桥梁人行道托架的U型螺栓在列车荷载作用下，经受着反复动力作用。这是导致螺栓破坏的主要原因。

1.2 病害整治方案

在分析了混凝土桥梁托架U型螺栓折断的原因后，课题组提出3种方案加固人行道托架。

方案1:用铁葫芦将外倾的人行道托架调回原位，将折断的螺栓与竖向角钢焊接起来。

方案2:将原有托架锯断拆除，在其附近另选位置钻孔安装。

方案3:利用FHK-VDP16化学锚栓代替U型螺栓，同时采用12 mm厚钢板作为加固板与原有托架焊接，形成共同受力的加固构件，见图1。

图1 人行道锚固系统示意

方案1因螺栓余下的部位露出梁体长度过短，焊接后受力面积小，易脱焊。方案2施工困难，且破坏原有托架的整体结构，钻孔时易碰到梁体内钢筋，不但费工费时，也易损伤梁体。方案3不但经济而且效率很高，养护时间短(1 h)，施工工艺较为简单，安装方便，有较大的承载力，并且可在潮湿的环境下施工，对基材不产生膨胀力。

通过从经济、施工、实际效果等各方面综合比较，确定采用方案3对桥梁人行道托架进行加固处理。

2 化学锚栓

2.1 材料组成

化学锚栓一般由化学胶管、螺杆、垫圈和螺母组成，如图2所示。

图2 化学螺栓的材料组成

化学胶管由胶粘剂、固化剂和骨料等加工而成。胶粘剂成分大多为环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨脂树脂等热固性高分子材料[6]。不同的胶粘剂对应不同的固化剂(使胶粘剂在一定外界条件下由液态变成固态的材料)。骨料大多由石英砂组成(采用玻璃胶管时，玻璃破碎后成为骨料)。螺杆一般有镀锌钢(5.8级、8.8级)和不锈钢两种。

2.2 加固原理

如图3所示，通过高强胶粘剂将高强螺杆与结构本体粘结后，再通过螺帽将其连结固定。高强胶粘剂利用粘着和锁键的作用产生固结力，与具有很高抗剪强度的高强螺杆共同组成牢固的连接系统，满足设计与施工的要求。

图3 化学粘结锚栓结构示意[7]

3 人行道托架加固施工流程

3.1 加工钢板

预先加工好钢板，每个托架需用2块钢板(N1和N2，厚12 mm，呈L形)，分别于托架两侧贴紧加固，粘贴面尺寸为30 cm×30 cm，在其对角线位置上钻2个化学螺栓孔。钢板实物和展平图见图4。

图4 钢板实物与展平图

3.2 搭设工作平台

将需加固的人行道托架范围内的人行道步行板拆除，运送至桥台外堆放稳固，如整治全桥，则不能同时拆除同一桥跨内的左右两侧步行板;如单侧拆除则不能超过两跨。

沿线路方向每隔3 m用钢管钩由外侧插入线路钢轨底部，钢管钩端头偏向线路中心一侧距离钢轨至少1 m，钢管钩与钢轨轨底接触的地方用卡子卡住，以防钢管左右窜动。

钢管钩搭设好后，将事先弯制好的φ22钢筋U形钩挂在钢管钩上，每隔3 m挂一个，再将50 mm厚的木板并排平铺在钢筋U形钩上，各木板间以扒钉联结牢固作为工作平台，平台下方挂安全网，并在钢管钩上系牢。

3.3 清洁贴合面

清洁混凝土梁体和钢板的贴合面。首先，凿除梁体外侧贴合面上已疏松的混凝土，用钢丝刷清理贴合面，除去灰尘、水泥翻沫、不牢固的砂粒;用潮湿的棉纱擦拭一遍贴合面，清除浮尘并彻底晾干。若有油污，要用棉纱蘸丙酮清除。其次，手持角向砂轮机将钢板的粘贴面打磨除锈，并用棉纱蘸丙酮擦拭。

3.4 定位钻孔

在需要加固的人行道托架的挡砟墙梁体外侧定好位置(利用钢板上的化学螺栓孔在梁体上定位)，然后在相应梁身部位上钻孔，注意不要碰到梁体内的钢筋。

钻孔完毕后，先用毛刷深入孔中清渣，再用气管将孔中灰尘吹出，要求孔内干燥、干净无物。

3.5 植入粘结剂

将装有粘结剂的药剂管放入注射器内，将粘结剂喷射入梁体上已打好的钻孔内。

3.6 锚固金属杆

用专用夹具将金属螺栓固定在电钻上，用最低的转速(640～750 r/min)塞入孔内。此时属凝胶过程，需保持安装工具不动，所需时间随温度而定，见表1。

表1 粘结剂凝结时间

3.7 焊接支架

待FHK-VDP16化学锚栓达到承载强度后，方可将钢板的另一端焊接在既有人行道支架角钢上，焊接前应把既有人行道支架角钢上焊接处的油漆清除干净。

3.8 涂装油漆

涂装前除锈应达到手工除锈二级标准，油漆应做二底三面处理，符合涂装要求。加固施工完毕后的托架见图5。

图5 加固施工完毕后的人行道托架

3.9 拆除工作平台

拆除安全网、木板、钢筋U形钩、钢管钩等，并恢复人行道步行板。

4 结语

从2010年起，课题组采用该方法依次加固了南昆铁路的白水河二号、大章古一号、大章古三号、大海子二号、猪场四号等混凝土桥人行道托架，完工后多次进行复查，各部结构到目前为止均完好，病害得到了良好整治。

桥梁托架加固实施时，应尽量减少因环境腐蚀和钢板应力集中给加固钢板带来的损伤。采用化学锚栓施工时，最好利用封锁时间，或尽量利用列车运行间隔时间进行，以减小列车振动带来的影响。

[1]赖有志，祁新，任世景.化学锚栓后置埋件技术在军博工程中的应用[J].施工技术，2009，38(10):48-50.

[2]蓝建勋.化学锚栓在建筑幕墙工程中的应用技术[J].建筑技术，2006，37(9):681-683.

[3]阙明，项家琪.化学锚栓在隧道内接触网悬挂工程中的应用[J].电气化铁道，2004(4):21-23.

[4]曾召田，叶木华，李可东，等.南昆线混凝土桥梁人行道锚固螺栓病害分析及整治[J].铁道建筑，2009(2):12-14.

[5]铁道部专业设计院.混凝土桥[M].北京:中国铁道出版社，2000.

[6]贺曼罗.建筑结构胶粘剂施工应用技术[M].北京:化学工业出版社，2001.

[7]张亚挺.新型锚固材料——化学锚栓在工程中的应用[J].江苏建筑，2003(4):28-30.