铁路桥梁钢-UHPC组合落石防护棚洞及其施工方法与流程

本发明属于桥梁工程建设技术领域，具体涉及一种铁路桥梁钢-uhpc组合落石防护棚洞及其施工方法。

背景技术：

中西部艰险山区的新建铁路多穿越v型沟谷，山坡陡峭，多有危岩落石分布。根据落石运动轨迹分布规律，隧道洞口相接的桥梁往往是落石风险最高的地方，而铁路桥梁一般具有高速度和高密度运营、高安全要求的特点，一旦遭受落石冲击，将造成重大的经济损失，甚至引发灾难性后果。

尽管隧道明洞延伸并在顶部覆土后可有效避免落石冲击隧道洞口的桥梁结构引起破坏，但山区v型沟谷一般在延伸明洞时不具备设墩支承条件。因此，研究开发铁路桥梁可更换式落石防护棚洞，将棚洞与铁路箱梁组合成为一体，使之应用时不受桥下地形条件限制，可避免隧道洞口的桥梁遭受危岩落石灾害的影响，保障铁路运营安全。

铁路桥梁棚洞承受落石冲击荷载较为频繁，但在隧道侧山体坡面采用主被动防护网后主要以小型落石冲击为主，开发一种新型棚洞既能适应不同的地形条件限制在铁路箱梁顶部进行支撑，又在结构或冲击缓冲附属结构损伤后具有可更换修复的功能，可以显著提高落石防护棚洞的技术先进性和经济合理性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种铁路桥梁钢-uhpc组合落石防护棚洞及其施工方法，解决传统危岩落石综合治理方案工程复杂、实施难度大、投资高、受地形影响大等问题。

本发明所采用的技术方案为：

铁路桥梁钢-uhpc组合落石防护棚洞，其特征在于：

所述防护棚洞顺桥向包括多榀独立的棚洞节段，每个节段为独立的一个单榀棚洞；

所述单榀棚洞包括前后两道环向的型钢骨架，型钢骨架外侧面均匀布置纵向并呈弧形的uhpc棚板，型钢骨架底端固定在箱梁安装板上，箱梁安装板内侧伸入铁路箱梁翼板下方并与其连接。

环向相邻的uhpc棚板之间留有横向伸缩缝，纵向相邻的uhpc棚板之间留有纵向伸缩缝，缝间填塞沥青木板。

uhpc棚板内部具有环向的通孔，环向拼装成180°角的棚顶结构。

棚顶结构上方敷设有冲击缓冲层，冲击缓冲层为单层或双层缓冲层；

单层缓冲层采用高分子聚合物材料；

双层缓冲层底层为高分子聚合物材料，顶层为砂土。

每道型钢骨架包括顶部的六段30°角的弧形型钢以及两侧的立柱型钢，相邻型钢通过节点板和螺栓连接。

立柱型钢底部通过连接器连接到箱梁安装板外端。

箱梁安装板内端与铁路箱梁翼板整体浇筑。

型钢骨架为工字钢，顶部为翼板，翼板上焊接有与翼板垂直呈环向的限位板，前后两环uhpc棚板位于限位板前后两侧，相邻两环uhpc棚板共用一环型钢骨架；

限位板上设置有纵向的销轴孔，销轴孔内插入销轴对uhpc棚板进行限位。

铁路桥梁钢-uhpc组合落石防护棚洞的施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤1：根据棚洞所需要设防的最大冲击能量，设计uhpc棚板、型钢骨架、箱梁安装板的细部结构尺寸；

步骤2：立柱型钢、弧形型钢、节点板、限位板在工厂放样加工，现场所需螺栓及销轴工厂放样加工；

布置3：uhpc棚板配合比中钢纤维含量不小于2%；棚板在工厂浇筑后进行高温蒸养，蒸养温度为90±5℃，蒸养时间不低于72h；

步骤4：将工厂养护完成的uhpc棚板、型钢骨架各类构件运输至需要安装的铁路桥梁桥位处，进行施工准备；

步骤5：铁路箱梁翼缘设置连接钢筋，将箱梁安装板与铁路箱梁浇筑成整体，与常规铁路箱梁一样整孔运架至桥位，完成铁路箱梁的架设，搭设施工临时平台；

步骤6：通过2个连接器先将立柱型钢固定于箱梁安装板之上，通过7个节点板将弧形型钢与立柱型钢拼接成拱形的型钢骨架；

步骤7：重复步骤6直至防护范围内所有型钢骨架安装完成；

步骤8：在型钢骨架之间搭设uhpc棚板，uhpc棚板置于型钢翼板上方，uhpc棚板铺设完成后在限位板的销轴孔中穿入销轴实现对uhpc棚板的限位；

步骤9：在棚板之间设置的纵向伸缩缝和横向伸缩缝之间填塞沥青木板；

步骤10：在棚洞顶板120°范围内的uhpc棚板上铺设冲击缓冲层，防护棚洞施工完毕；

步骤11：铁路箱梁顶部施工桥面附属设施，通车运营。

更换施工包括以下步骤：

步骤1：极端自然条件下落石冲击铁路桥梁时，落石直接冲击对象是冲击缓冲层和uhpc棚板，通过uhpc棚板底部裂缝宽度判断结构服役状态；对于裂缝宽度小于0.2mm的视为结构安全，仅对冲击缓冲层进行维护更换；

步骤2：对于裂缝宽度大于0.2mm的视为结构失效，更换uhpc棚板；

步骤3：uhpc棚板更换时首先拆开冲击缓冲层，拔出限位板销轴孔中的销轴，拆卸uhpc棚板及伸缩缝之间的沥青木板，将预制好的uhpc棚板铺放至替换部位，再在限位板的销轴孔中穿入销轴实现对uhpc棚板的限位，最后将拆除的冲击缓冲层进行恢复和还原，经验收合格后通车运营。

本发明具有以下优点：

（1）适用范围广

本发明的棚洞主要受力构件采用钢和超高性能混凝土（uhpc）两种材料，结构自重轻且承受荷载能力强，可以支撑与铁路箱梁之上，实际使用时可以避免山区v型沟谷地形难以设置支撑条件的影响，具有广阔的适用范围。

（2）施工便捷

本发明的主要构件均在工厂加工或预制，施工效率高、质量易控制、环保节能好。利用超高性能混凝土制成的单个构件重量轻，现场实施灵活、更适于装配式施工。

（3）易维护更换。

本发明主要受力构件采用钢结构和超高性能混凝土材料，型钢骨架通过不同型钢和节点板组拼成型后经连接器栓接支撑于箱梁顶部，在服役期间易涂装、易更换。uhpc板其耐久性能远高于普通rc板，使用寿命长。本发明主要防护落石偶然荷载，所发明的主要构件在经历落石冲击损伤后能够通过局部维修或更换后正常服役，易维护易更换，经济效益优势明显。

附图说明

图1为铁路桥梁防落石的钢-uhpc组合棚洞总图。

图2为铁路桥梁防落石的钢-uhpc组合棚洞单榀构件安装图。

图3为型钢骨架与uhpc棚板安装布置示意图。

图中，1-防护棚洞，2-单榀棚洞，3-型钢骨架，4-uhpc棚板，5-箱梁安装板，6-铁路箱梁，7-纵向伸缩缝，8-横向伸缩缝，9-冲击缓冲层，10-立柱型钢，11-弧形型钢，12-节点板，13-连接器，14-销轴孔，15-限位板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及铁路桥梁钢-uhpc组合落石防护棚洞，所述防护棚洞1顺桥向包括多榀独立的棚洞节段，每个节段为独立的一个单榀棚洞2；所述单榀棚洞2包括前后两道环向的型钢骨架3，型钢骨架3外侧面均匀布置纵向并呈弧形的uhpc棚板4，型钢骨架3底端固定在箱梁安装板5上，箱梁安装板5内侧伸入铁路箱梁12翼板下方并与其连接。型钢骨架3、uhpc棚板4和箱梁安装板5为主体受力结构。

环向相邻的uhpc棚板4之间留有横向伸缩缝8，纵向相邻的uhpc棚板4之间留有纵向伸缩缝9，缝间填塞沥青木板，旨在达到全封闭防护。通过纵向伸缩缝9和横向伸缩缝8的设置，棚洞在承受落石冲击荷载时均为单独受力，计算模型简单，板件更换便捷。uhpc棚板4内部具有环向的通孔，环向拼装成180°角的棚顶结构。uhpc棚板4在承受较大冲击荷载的同时还应具有轻型化的特征，由于其材料力学性能高可设计为空心板，其厚度及开孔率根据落石冲击能量计算确定，可在工厂预制生产。

棚顶结构上方敷设有冲击缓冲层9，用以延长结构冲击时间，减小棚洞受力荷载。冲击缓冲层9为单层或双层缓冲层；单层缓冲层采用高分子聚合物材料；双层缓冲层底层为高分子聚合物材料，顶层为砂土。

型钢骨架3与铁路箱梁12轮廓尺寸匹配，整体尺寸较大，应划分为节段后便于运输及安装。每道型钢骨架3包括顶部的六段30°角的弧形型钢11以及两侧的立柱型钢10，相邻型钢通过节点板12和螺栓连接。立柱型钢10底部通过连接器13连接到箱梁安装板5外端。连接器13为现有型钢固定于混凝土构件所使用的常规的连接固定设备，可采用小吨位支座、法兰盘等形式。箱梁安装板5内端与铁路箱梁12翼板整体浇筑，一同预制生产，其长度方向与各榀棚洞间距一致，厚度根据结构计算确定。型钢均采用工形截面。

型钢骨架3为工字钢，顶部为翼板，翼板上焊接有与翼板垂直呈环向的限位板15，前后两环uhpc棚板4位于限位板15前后两侧，相邻两环uhpc棚板4共用一环型钢骨架3；限位板15上设置有纵向的销轴孔14，销轴孔14内插入销轴对uhpc棚板4进行限位。

上述铁路桥梁钢-uhpc组合落石防护棚洞的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：根据棚洞所需要设防的最大冲击能量，设计uhpc棚板4、型钢骨架3、箱梁安装板5的细部结构尺寸；

步骤2：立柱型钢10、弧形型钢11、节点板12、限位板15在工厂放样加工，现场所需螺栓及销轴工厂放样加工；

布置3：uhpc棚板4配合比中钢纤维含量不小于2%；棚板在工厂浇筑后进行高温蒸养，蒸养温度为90±5℃，蒸养时间不低于72h；

步骤4：将工厂养护完成的uhpc棚板4、型钢骨架3各类构件运输至需要安装的铁路桥梁桥位处，进行施工准备；

步骤5：铁路箱梁翼缘设置连接钢筋，将箱梁安装板5与铁路箱梁6浇筑成整体，与常规铁路箱梁一样整孔运架至桥位，完成铁路箱梁的架设，搭设施工临时平台；

步骤6：通过2个连接器13先将立柱型钢10固定于箱梁安装板5之上，通过7个节点板12将弧形型钢11与立柱型钢10拼接成拱形的型钢骨架3；

步骤7：重复步骤6直至防护范围内所有型钢骨架3安装完成；

步骤8：在型钢骨架3之间搭设uhpc棚板4，uhpc棚板4置于型钢翼板上方，uhpc棚板4铺设完成后在限位板15的销轴孔14中穿入销轴实现对uhpc棚板的限位；

步骤9：在棚板之间设置的纵向伸缩缝7和横向伸缩缝8之间填塞沥青木板；

步骤10：在棚洞顶板120°范围内的uhpc棚板4上铺设冲击缓冲层9，防护棚洞施工完毕；

步骤11：铁路箱梁6顶部施工桥面附属设施，通车运营。

具体的更换施工包括以下步骤：

步骤1：极端自然条件下落石冲击铁路桥梁时，落石直接冲击对象是冲击缓冲层9和uhpc棚板4，通过uhpc棚板4底部裂缝宽度判断结构服役状态；对于裂缝宽度小于0.2mm的视为结构安全，仅对冲击缓冲层9进行维护更换；

步骤2：对于裂缝宽度大于0.2mm的视为结构失效，更换uhpc棚板4；

步骤3：uhpc棚板4更换时首先拆开冲击缓冲层9，拔出限位板销轴孔14中的销轴，拆卸uhpc棚板4及伸缩缝之间的沥青木板，将预制好的uhpc棚板4铺放至替换部位，再在限位板的销轴孔14中穿入销轴实现对uhpc棚板4的限位，最后将拆除的冲击缓冲层9进行恢复和还原，经验收合格后通车运营。

本发明所述棚洞在落石冲击下具有保障下部铁路桥梁安全运营的功能，同时由于棚洞的均由uhpc材料和钢结构组成，因此具有结构尺寸小，防护冲击荷载能力高、结构轻型易更换的特点。在服役期间承受落石冲击时，通过观测uhpc棚板底部裂缝宽度判断结构服役状态，对于失效的uhpc棚板受力结构提出简单便捷的更换方法。本发明可在山区铁路桥梁危岩落石防护中推广应用。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。