既有鐵路橋墩橫向剛度加固方案試驗研究

許建平

(西安鐵路局工務處,西安 710054)

1 概述

隨著鐵路增運擴能,高密、重載、提速等運輸發展戰略的進一步深化,在安全運營方面對既有鐵路橋梁健康狀況提出了更為嚴格的要求,基于結構的安全性能指標也逐漸由靜態強度控制轉向動態剛度控制。橋墩作為支承橋跨結構的一類重要構筑物,它的剛度表現直接影響橋上通行列車的安全性和舒適性。橋墩橫向振動的振型是近似定義為基底固結、墩頂自由的懸臂結構,當墩頂的橫向發生單位位移時所需要力的大小,即為橋墩的橫向剛度，剛度是柔度的倒數,表達式為

(1)

式中,F為柔度系數,其意義是墩頂在橫橋向單位力作用下的位移[1]。

則

(2)

其中,E為墩身材料彈性模量,I為截面橫向慣性矩,L為墩身高度。

根據結構基頻的近似算法,橋墩的自振頻率計算公式為

(3)

式中,K為廣義剛度,M為廣義質量。

由結構動力學公式可知,補強橋墩剛度的方法主要通過提高廣義剛度K或降低墩身質量M實現,降低M對于改進橋墩剛度的實現條件較為苛刻,故工程實踐應用中多以通過變換墩身截面形式(慣性矩I)和改善材料質量(彈性模量E)的方式來達到提升墩身廣義剛度K值的目的。計算模型示意見圖1。基于此,列舉3種加固方案,并通過經驗公式法和有限元法分別驗證其各自工程適用性。

圖1 計算模型示意

2 加固方案選擇

2.1 橋梁概況

隴海線上行K1 358+986格牙大橋位于建河～元龍區間,橋梁全長321.7 m。孔跨式樣為1-24 m+8-32 m+1-24 m預應力鋼筋混凝土梁,橋上鋪設60 kg/m鋼軌,無縫線路,道砟橋面鋼筋混凝土Ⅱ型橋枕,50 kg/m護軌；橋上線路位于直線段,線路縱坡12.5‰；10孔梁均采用預應力混凝土雙片式T形梁,設計圖號為“叁標橋2019”；1號墩為樁基礎、2～8號墩為沉井基礎、9號墩為擴大基礎,墩身均采用圓形截面布置,兩側為耳墻式橋臺。

2.2 加固前試驗概況

2009年6月,檢測部門對該橋進行了第一次現場檢測試驗,檢測發現該橋第3號、4號、8號橋墩的墩頂最大橫向振幅均超過《鐵路橋梁檢定規范》(簡稱《檢規》)通常值要求[2],分析認為系墩身橫向剛度不足所致,并建議對墩頂振幅超限的第3號、4號、8號墩進行加固處理。

2009年11月,為了進一步核實其運營工況變化狀態,應設備管理單位要求,檢測部門對該橋進行了第二次現場檢測試驗。檢測結果表明：除了第3號、4號、8號墩之外,該橋第5號墩也存在著墩頂橫向振幅超《檢規》通常值的問題。于是建議：在原設計方案的基礎上,增加對該橋第5號墩的加固處理[3]。

2.3 加固方案比選

該橋第3號、4號墩的備選加固方案施工方式均統一采用混凝土包箍墩身處理[4],具體尺寸參數見表1。

表1 備選加固方案參數

2.4 加固效果預測

(1)經驗公式法

由公式(2)、(3)計算不同工況下橋墩的墩身廣義質量、廣義剛度及自振頻率，如表2所示。

表2 經驗公式法墩身剛度指標計算值

(2)有限元法

利用有限元軟件,以墩身為主體進行建模,橋墩基礎及墩帽部分不計入,計算得到墩身剛度指標如表3所示。

表3 有限元法自振頻率計算值

由表2、表3可知,方案三提升廣義剛度的指標均優于方案一和方案二,但該方案增加的墩身質量最大,在設計選用時對基礎形式和地基承載力要求較高；方案二亦有效提升了墩身廣義剛度指標,但墩身自振頻率的改進效果不顯著；方案一對提升墩身廣義剛度和自振頻率均有一定效果,并且其對地基基礎的豎向荷載作用較方案三和方案二條件更為寬松。

3 加固效果分析

3.1 加固方案確定

(1)加固方案

采用方案一對該橋第3號、4號、8號橋墩用30 cm厚C30鋼筋混凝土環形箍進行加固[5]。原3號墩基底設計應力1 058 kPa,允許應力2 242 kPa,原4號墩基底設計應力1 121 kPa,允許應力2 316 kPa,原8號墩基底設計應力726 kPa,允許應力1 692 kPa,安全富余量較大。

(2)施工注意事項

橋墩套箍加固時,為保證新舊混凝土的連接,作業時,將既有橋墩表面清洗鑿毛,清除松散顆粒,埋設φ22 mm的牽釘,牽釘梅花形布置,間距50 cm,牽釘錨固材料采用國產錨固包錨固,鋼筋選用HRB325型；灌注混凝土前,用水沖洗鑿毛的圬工表面,使其充分濕潤；線下施工時,橋上列車限速45 km/h通過；施工加固過程中,如遇橋墩位于水中,則需采用先填筑圍堰,再進行墩身套箍的施工方法,以確保人身、機械安全；各項工作均應嚴格按照有關規范、規定、規則辦理,確保鐵路行車、人身安全及施工質量。墩身配筋見圖2,牽釘大樣見圖3,加固前后實景見圖4。

3.2 檢測結果分析

(1)加固前梁墩指標分析

現場檢測以過路列車為試驗樣本,加固前的2次實測橋跨及墩頂橫向最大振幅匯總如表4所示,實測橋墩橫向自振頻率如表5所示。

圖2 3號、4號橋墩墩身套箍配筋(單位：cm)

圖4 橋墩加固前后實景

表5 加固前實測橋墩橫向自振頻率匯總

通過表4、表5可以看出,該橋超限橋墩中3號、4號、5號、8號墩及第4孔梁在動載激勵作用下的抵抗變形的能力弱化明顯,其各項動力響應參數指標均不滿足規范要求。

(2)加固后梁墩指標分析

通過先期完成對該橋第3號、4號、8號橋墩的橫向剛度補強加固,分析對比加固后目前該橋的運營工作狀況。選取具有典型性的3號、4號墩和第4孔梁為例,加固后的實測橋跨及墩頂橫向最大振幅如表6所示,實測橋墩橫向頻率特征如表7所示,實測橋墩振動響應樣本值頻率分布如圖5所示。

表6 加固后實測橋跨及墩頂橫向最大振幅

表7 加固后實測橋墩橫向頻率特征 Hz

圖5 實測橋墩振動響應樣本值頻率分布[6]

由上述試驗對比可以看出,該橋橋墩在經過大修加固處理后,墩身橫向剛度體現在墩頂振動幅值方面明顯增強,相應橋跨結構動力響應狀態亦由于墩頂約束能力的提升得到改善,其跨中橫向振動幅值也收斂分布于安全限值以下。從橋墩自振特性分析,受該橋圓形墩自身特點的影響，雖經加固改造后的墩身頻率響應特征提升效果較大,但尚不能滿足規范要求。

4 結語

(1)從文中列舉的橋墩加固實例來看,通過不改變墩身截面形式而采取的墩身包箍加固方式有效降低了墩頂橫向振幅單峰值,在一定意義上改善了橋梁的安全運營狀況,但其對提升墩身自振響應參數的效果不明顯。

(2)通過加固方案比選可以看到,對于提高橋墩橫向剛度應著重從改善墩身截面抵抗矩、墩身材質和降低基礎承載影響力等方面分析入手,單項目參數的獨立優化對改善墩身整體剛度條件的作用不顯著。

(3)建議在今后進行橋梁工程加固處理時,應綜合考量車-梁-墩系統的耦合動力響應[7],使受荷構件體系具有足夠的抵抗變形的能力,以保證列車運行的安全性和舒適性。

[1]朱 晞.橋墩抗震計算[M].北京：中國鐵道出版社,1982.

[2]鐵運函[2004]120號，鐵路橋梁檢定規范[S].

[3]劉 楠,李朝華.西安鐵路局橋梁檢定評估報告[Z].西安：西安鐵路局工務檢測所,2010.

[4]孫鐵盾.圓柱形橋墩橫向剛度加固方案探討[J].上海鐵道科技,2009(4)：77-78．

[5]康海利,劉海潮.隴海線K1 358+986格牙大橋加固設計文件[Z].西安：西安鐵路局勘測設計所,2010.

[6]趙特偉.試驗數據的整理與分析[M].北京：中國鐵道出版社,1981.

[7]潘家英,高芒芒.鐵路車—線—橋系統動力分析[M].北京：中國鐵道出版社,2008.