悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固计算方法研究

李海湛，唐红梅，李小明

(1. 驻马店市公路规划勘察设计院，河南 驻马店 463000；2. 重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074)



悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固计算方法研究

李海湛1，唐红梅2，李小明2

(1. 驻马店市公路规划勘察设计院，河南 驻马店 463000；2. 重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074)

针对钢筋混凝土路面板悬空水毁灾害，提出了悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固方法，由锚固钢绳、钢绳支墩和锚杆三部分组成；采用结构力学方法，建立了悬空钢筋混凝土路面板弯矩、最大允许宽度及锚固钢绳拉力的计算公式；工程实例分析表明：所建立的悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固方法有较强实用性，可实现钢筋混凝土路面板悬空灾害的应急抢修。

道路工程；公路水毁；锚拉加固；快速修复；灾害

0 引 言

公路水毁是我国山区沿河公路交通安全营运及工程养护的主要自然灾害，具有出现频率高、分布范围广、灾情严重等特点，其防灾减灾工作长期得到公路管理部门与科技工作者的高度重视，但从未得到有效解决。目前，在全球性地质活动程度加剧、极端气象条件频繁出现的宏观地学背景下，我国公路水毁灾害进入高发期，直接经济损失每年超过30亿元，其中大部分是由于路基冲失、缺口、沉陷、钢筋混凝土路面板悬空断道等造成，如2009年4—7月，贵州省大部分地区不同程度遭受到强降雨袭击，造成国道、省道和县乡道近80余条公路交通中断，山洪、泥石流毁损路基、路面、桥梁和涵洞，仅黔东南地区国省干线公路共冲毁路基4.5 km、冲毁防护工程83处计11 505 m3、路基塌方133处计117 009 m3，直接经济损失达448.5万元；2012年四川省凉山彝族自治州喜德县“8.13”洪灾，全县累计冲毁县道32.1 km、乡道44 km、通村公路272 km、桥梁16座，直接经济损失达到2.7亿元。值得指出的是，近10年来我国山区公路兴建了10余万公里的钢筋混凝土道路，其路基被山洪泥石流冲蚀破坏造成路面板局部悬空，给公路交通带来了极大安全隐患。

近20年来，国内外学者高度重视公路水毁防灾减灾研究。蒋焕章[1]系统勾绘了公路水毁防治理论和技术框架；高冬光等[2]及詹义正等[3]尤其重视山洪泥石流对桥梁墩台地基冲刷特性研究；李奇等[4]提出了多个局部冲刷深度计算公式；田伟平等[5]通过室内模型试验探讨了有防护结构和无防护结构对路基的冲刷问题，提出了最大冲刷深度经验公式；夏军强等[6]采用数值模拟方法分析了河流弯道的水力特性及河床变形问题。作为公路水毁灾害的主要外荷载，泥石流冲击动力学问题近年来得到高度重视，陈洪凯等[7-9]基于固液两相流理论提出了泥石流固液分相冲击力计算方法，并通过室内模型试验揭示了水石流冲击信号的概率分布及能量分布特征；何晓英等[10]探讨了黏性泥石流的冲击特性。但在路基水毁灾害治理新技术研发方面的研究主要集中在丁坝、挑坝、潜坝等水工调治结构及挡土墙方面，如林小平等[11]探讨了采用丁坝群和挡土墙联合使用防护路基问题；乔国文[12]基于实地调查分析了沿河路基水毁灾害优化防护问题。在泥石流灾害防治方面，崔鹏[13]系统地总结了新中国成立来泥石流防治问题；陈洪凯等[14]建立了公路泥石流灾害防治技术体系，基本满足沿河公路路基水毁灾害的常态性修复需求。近年来，公路水毁灾害应急抢修问题日益凸显，J. Chinchiolo等[15]探讨了路基边坡的应急修复问题，提出了应急修复的工作思路及临时修复技术；陈洪凯等[16]针对沿河公路钢筋混凝土路面板被山洪泥石流冲蚀悬空造成的水毁灾害，研发了沿河公路钢筋混凝土路面板悬空段锚拉加固结构应急修复新方法。笔者重点分析悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固计算问题，对于悬空钢筋混凝土路面板的优化设计有积极意义。

1 悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固结构型式

悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固结构是针对沿河公路路基水毁形成悬空路面板(图1)的公路交通应急通行研发的组合式快速抢修技术，其主体是由锚固钢绳、钢绳支墩和锚杆三部分组成的空间结构，如图2。

图1 四川省江油枫顺乡省道S103水毁Fig.1 Water ruin outline of province road S103 at Fengshun, Jiangyou city, Sichuan province

bx—钢筋混凝土板下部被冲蚀部分的宽度，m；B—路面板宽度，m；H—钢筋混凝土板厚度，m；b—钢绳支墩间距，m；H1—锚杆 距路面板高度，m；H2—钢绳支墩高度，m；L—锚杆锚入深度，m；α为锚杆锚入角，(°)；θ—拉索与路面板的夹角，(°)；a0—钢 绳支墩外侧与钢索锚固点的距离，m；t0—钢索锚固点距路面板外侧距离，m；T—钢索拉力，kN；P—车轮荷载，kN

图2 悬空钢筋混凝土路面板加固结构示意
Fig.2 reinforced structure to dangling reinforced concrete pavement plate

图2中，锚固钢绳为预先设置的钢绞线，长度根据现场而定，锚固钢绳上部固定在锚杆顶部，下部固定在框架横梁外侧；钢绳支墩按照普通钢筋混凝土结构构造配置和预制；锚杆为自锚型锚杆，采用手工风枪成孔，所形成的锚孔与自锚型锚杆专利产品匹配。沿河公路水毁灾情发生后，通过现场调查量测，确定钢筋混凝土路面板下部被泥石流及山洪冲蚀部分的宽度bx，当bx≤B/2时，可以采用沿河公路悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固方法进行应急加固处理，并明确需要进行应急加固处理的路段范围。在悬空钢筋混凝土路面板临空面边缘向内(a0+t0)处，沿着道路延伸方向按照间距a进行钢绳支墩定位，采用风枪钻孔，并将预制的钢筋混凝土钢绳支墩安置在相应位置。在公路内侧边坡表面高度H1并与钢绳支墩对应的部位，采用风枪钻孔，将预置的自锚型锚杆安放在孔内，旋紧自锚型锚杆锚头，使锚杆处于受荷状态。将锚固钢绳一端与自锚型锚杆顶部机械连接，另一端通过钢绳支墩，连接到锁固装置处，旋紧锁固装置，使钢绳处于受荷状态，裁剪多余钢绳。

2 悬空钢筋混凝土路面板结构计算方法

2.1 作用在钢筋混凝土路面板上的汽车荷载计算宽度约定

车辆行驶在悬空钢筋混凝土路面板上，可能由于结构受力不均而导致破坏。JTJ 021—89《公路桥涵设计通用规范》给出了汽车荷载作用下确定路面板荷载的有效分布范围：

a1=a1+2H

(1)

b1=b2+2H

(2)

依据JTJ 021—89《公路桥涵设计通用规范》，汽车在行驶过程中，车轮并非点荷载，而是集中在一个a1×b1压力面上的均布荷载，其中车轮作用面有效应力分布宽度从轮压边缘向下按45°分布，如图3。

a1—路面板纵向有效分布宽度，m；a2—车轮与路面板接触长度，m；b1—路面板横向有效分布宽度，m；b2—车轮与路面板接触宽度，m；P—车轮荷载，kN

图3 车轮有效应力在路面板分布
Fig.3 Distribution patterns of the wheels of effective stress at pavement plate

2.2 悬空钢筋混凝土路面板内力计算

当悬空钢筋混凝土路面板长度相对于板厚及板宽较大时，可将路面板视为无限宽度板，锚拉钢绳拉力在悬空钢筋混凝土路面板外侧均匀分布。当汽车荷载作用在悬空钢筋混凝土路面板外侧时(图4)，每根钢绳的受力随着车轮的移动而不同，当车轮重心刚好与某一钢绳在同一横截面时，相应钢绳对钢筋混凝土路面板的拉力最大，假设此时外侧车轮荷载完全作用在最近的钢绳上。当车轮重心与钢绳在同一横截面上时，悬空钢筋混凝土路面板内侧路基尚未淘空部分视为固结，其力学模型如图5。

图4 悬空钢筋混凝土路面板上车轮布置Fig.4 Distribution patterns of the wheels at dangling reinforced concrete pavement plate

bx—钢筋混凝土板下部悬空宽度，m；B—路面板宽度，m；H2—钢绳支墩高度，m；θ—拉索与路面板的夹角，(°)；a0—钢绳支墩外侧与钢索锚固点的距离，m；t0—钢索锚固点距路面板外侧距离，m；T—钢索拉力，N；l—车轮荷载距路面板内侧端部A处的距离，m；T0—钢绳拉力竖直方向的分力，kN；q—悬空钢筋混凝土路面板自重产生的均布荷载，kN；[σ0]—路面板内侧路基完好部分对路面板的反力，kN

图5 悬空钢筋混凝土路面板模型
Fig.5 models of dangling reinforced concrete pavement plate

锚固钢绳与悬空钢筋混凝土路面板连接处的夹角θ可由加固结构的几何关系得到

(3)

则，T和T0的关系为

T0=Tsinθ

(4)

由于均布荷载q以及汽车荷载P均已知，故，结构属于静定结构。由竖直方向受力平衡，则

(5)

求解式(5)，得悬空钢筋混凝土路面板内侧地基未破坏部分最大反力

(6)

将所有力对A点取矩，建立力矩平衡方程

Pl+T0(B-a0)=0

(7)

求解式(7)，得钢绳拉力T0：

(8)

悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固结构在受力过程中，路面板A，C和D点的弯矩分别为：

(9)

(10)

(11)

通过计算出各点的弯矩，将均布荷载的弯矩图和各集中荷载的弯矩图运用图乘法进行计算，可得悬空钢筋混凝土路面板的弯矩图(图6)。

图6 悬空钢筋混凝土路面板弯矩Fig.6 Bending moment diagram of dangling reinforced concrete pavement plate

2.3 钢筋混凝土路面板最大悬空宽度

由图6可知，悬空钢筋混凝土路面板在D点受到上部汽车集中荷载作用，此处的弯矩MD最大。当其他条件不变时，悬空段宽度越大，悬空钢筋混凝土路面板受到的弯矩越大，路面板越容易破坏。当bx增大到一定程度时，结构处于极限平衡状态，据此可确定悬空钢筋混凝土路面板允许最大宽度bx。

由材料力学可知，悬空钢筋混凝土路面板横截面上任一点的弯曲正应力ftmd与该截面的弯矩成正比，与截面对中性轴的惯性矩Iz成反比，与到中性轴的距离成正比，即：

(12)

式中：ftmd为弯曲正应力，kPa；H为混凝土板厚度，m；Iz为截面惯性矩，m4；[ftmd]为钢筋混凝土弯曲抗拉强度设计值，kPa。

当车轮荷载在路面板悬空部分中点处，即l=B-0.5(bx-a0)时，钢筋混凝土路面板在中点处的弯矩最大，结构最容易破坏，引入路面板截面惯性矩，由式(12)得：

(13)

求解式(13)，可得悬空钢筋混凝土路面板的最大允许悬空宽度bx。

2.4 锚固钢绳拉力

锚固钢绳一端锁固在悬空钢筋混凝土路面板加固结构外侧，拉索另一端与崖壁上的自锚型锚杆连接，锚固钢绳为预先设置的钢绞线，长度现场确定。由式(8)可知，l越大钢绳拉力T越大，当车轮越靠近悬空钢筋混凝土路面板外侧钢绳支墩处，即l=B-a0-0.5b1时，T最大。将式(8)代入式(4)，得钢绳拉力T：

(14)

在结构设计中选用某一尺寸的钢绞线，钢绳受到的拉力应小于钢绳的最大容许承载力：

(15)

联合式(14)、式(15)，对结果取整可得所需钢绞线数n：

(16)

式中：n为钢绞线根数，根；fpd为钢绞线应力强度，MPa；As为每根钢绞线公称截面积，mm2；η为钢绳的安全系数；[ ]表示对计算结果取整。

3 算例分析

四川省江油枫顺乡省道S103为路基冲失多发路段，暴雨季节沿河公路路基水毁严重，部分路段路基基础外侧淘空。河水上涨流速增快，水渗透进入路基，导致路基基础被冲刷淘空，形成长超过1 km，宽度大约2 m的悬空钢筋混凝土路面板路段，在河水未消退时不宜立即使用传统方法修复路基，造成当地交通阻断。

拟定上部汽车荷载为200 kN，参考我国JTJ 021—89《公路桥涵设计通用规范》，汽车荷载按照前后轴1∶3分布，a2=0.4 m，b2=0.5 m，后轴外侧车轮施加的荷载为3/8汽车荷载，即P=65 kN，钢筋混凝土路面板结构自重q=3 kN/m，人行荷载在计算中忽略不计。悬空钢筋混凝土路面板加固结构的主要尺寸为：B=4 m，H=0.3 m，b=1.5 m,钢绳支墩横截面积为a3×a3，a3=0.3 m，H2=2 m，按照普通钢筋混凝土结构构造配筋和预制，采用C30混凝土。锚固钢绳采用直径15.2 mm的钢绞线，a0=0.2 m，t0=0.15 m。

将上述尺寸数据代入式(13)，查表得C30钢筋混凝土弯曲抗拉强度设计值[ftmd]=3 220 kPa，得出悬空钢筋混凝土路面板允许最大悬空宽度为2.344 m。

因该处路基冲蚀悬空钢筋混凝土路面板的悬空宽度bx<2 m，故当bx=2 m时，15.2 mm的钢绞线参数为As=165×10-6m2，fpd=1 260 ×103kPa，l=3.25 m，钢绳的安全系数η=2.5，将尺寸数据代入式(16)，得出选用直径15.2 mm的钢绞线，当路面板悬空宽度为2 m时，选用钢绞线的根数为1根，则锚拉钢绳结构稳定。

4 结 论

1)钢筋混凝土路面板被山洪泥石流冲蚀导致路基悬空后，给公路交通造成了严重安全隐患。针对悬空钢筋混凝土路面板悬空灾害的应急修复问题，研发了锚拉加固方法，其主体由锚固钢绳、钢绳支墩和锚杆这三部分组成。

2)采用结构力学方法建立了悬空钢筋混凝土路面板弯矩计算公式，得到悬空钢筋混凝土路面板最大允许悬空宽度及锚固钢绳拉力计算式。

3)将悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固计算方法应用于四川省江油枫顺乡省道S103线典型钢筋混凝土路面板悬空灾害分析，分析表明：所建立的悬空钢筋混凝土路面板锚拉加固计算方法完备、实用性强。

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Study on Anchor Reinforce Calculation Method for theSuspended Reinforced Concrete Road Slab

Li Haizhan1，Tang Hongmei2，Li Xiaoming2

(1. Institute of Highway Planning Survey & Design of Zhumadian City，Zhumadian 463000，Henan，China； 2. Institute of Geotechnical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Aiming at the water ruin disaster of the suspended reinforced concrete road slab,the anchor reinforced method for the suspended reinforced concrete road slab was proposed, which was composed of three parts, i.e., anchor stress rope, buttress and anchor rope. The calculation formulas of bending moment, the maximum width permitted and the anchoring wire cable tension force of the suspended reinforced concrete slab were established. Engineering case studies show that the method of reinforced concrete pavement slab established has strong practicability, which can realize emergency repair of the suspended reinforced concrete slab disasters.

road engineering; highway water ruin; anchor reinforce; rapid repair; disaster

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.11

2015-05-17；

2015-06-19

国家自然科学基金项目(41071017)；2013年重庆高校创新团队建设计划资助项目(KJTD201305)；重庆市“两江学者”计划专项经费资助项目(201309)

李海湛(1970—)，男，河南驻马店人，高级工程师，主要从事交通地质减灾理论与技术方面的研究。E-mail:haizhanli@126.com。

U418.4

A

1674-0696(2015)05-053-05