雙柱式橋墩橫向加固技術研究和實踐

李榮昌，張傳東，陳學民

(濟南鐵路局 工務處，濟南 250001)

1 橋梁概況

兗南線K13+822特大橋為146×16 m預應力混凝土T梁 +1×40 m桁梁。該橋建于1986年，共有51個雙柱式橋墩，全部采用雙層擴大基礎，墩身高從4.0～8.8 m，地基土以硬黏土或砂黏土為主，基底允許應力為286～396 kPa，橋墩基本數據分類詳見表1。

表1 雙柱式橋墩基本數據

橋梁檢測部門對該橋部分高度的橋墩進行了現場測試，其中第100號橋墩貨物列車通過時(速度 v=31.9 km/h)，墩頂橫向振幅最大單峰值為1.63 mm;第101號橋墩貨物列車通過時(速度v=30.7 km/h)，墩頂橫向振幅最大單峰值為1.06 mm。超過《檢規》限值要求，不能滿足當時貨物列車運行速度要求，自2004年6月4日起，對貨物列車長期限速運行。

自1997年以來，先后對京滬線徒駭河橋、大汶河橋的雙柱式橋墩進行了加固，但仍然達不到《檢規》限值要求，原因是墩身的橫向剛度仍不能滿足要求，在雙柱之間增設聯結提高墩身橫向慣性矩有限，橋墩基礎的剛度存在不足，墩身與承臺或基礎間的連接可能存在薄弱環節(指因施工造成的缺陷)。

為進一步解決雙柱式橋墩橫向剛度不足的問題，對管內兗南線K13+822特大橋等雙柱式橋墩的橫向剛度不足的問題，進行了橫向加固研究。

2 加固方案研究

橋梁振動是由橋上運行列車引起的外激振動，橋墩橫向振動響應的程度主要與外界激勵源的大小和橋墩本身抵抗變形的能力即橋墩橫向剛度有關，其橫向剛度不足主要存在以下幾個方面的原因:① 當時的設計主要考慮豎向受力要求，沒有充分考慮橋梁的橫向剛度要求，因而橋墩橫向斷面尺寸較小，雙柱式橋墩屬單線輕型墩，其橫向剛度較弱。② 基礎或承臺的剛體轉動對墩頂的橫向振幅也產生較大影響。③ 由于墩身的剛度較弱及基礎的剛體轉動，導致橋墩的橫向自振頻率降低，當與車輛轉向架運行的蛇行波頻率接近時，會引起共振。④ 墩身或基礎存在缺陷或不足。⑤軌道方向不平順，或受貨物列車編組的影響，列車在橋上出現側傾和不均勻搖擺，使橋梁產生橫向振動。⑥列車過橋時，雖然橫向搖擺力減小，但是風所產生的單方向的水平力增加，增大了橋墩頂的橫向位移(振幅)。

根據車橋系統振動理論，列車、橋梁和墩臺是相互作用和相互制約的關系。盡管機車、車輛的豎向振動加速度、豎向舒適度、平穩度等可能都在允許范圍內，當橋梁橫向振動加劇時，橋上機車車輛的橫向加速度、脫軌系數、搖擺力、輪壓減載率等將隨之增大，而且旅客乘坐舒適度和列車運行平穩度亦隨之下降。因此，隨著列車提速重載的發展，橋梁的主要問題是車橋橫向振動的相互作用問題，對橋梁來說就是要解決其橫向剛度的問題。具體來說，必須提高梁體和橋墩橫向振動的自振頻率，降低橫向振幅。

2.1 加固技術要求

① 加固后，橋墩橫向振幅及自振頻率須滿足《檢規》的安全限值要求;② 橋墩加固施工過程中，不得中斷行車，不采取特別限速措施;③ 加固后，不削弱橋墩的縱向剛度;④ 盡可能節省材料，降低加固費用;④確保施工期間橋梁設備的安全。

2.2 加固方案研究

對橋墩橫向加固初步提出了4種方案。

1)方案1:增大墩身剛度。此方案雖然增加了墩身剛度，減少了因墩身剛度不足引起的墩頂橫向振幅，但不能解決因基礎剛體轉動引起的墩頂橫向振幅，也消除不了基礎存在的缺陷或不足，同時增加了自重，增加了基底壓應力，見圖1(a)。

2)方案2:增大基礎面積。從理論上講，此方案能夠降低基底壓應力，但施工難度很大，不管基礎埋深多少，都要挖到底，工程量大，且需降水;如擴大基礎面積，新舊圬工結合的可靠性差;基礎擴大后，襟邊尺寸增加，剛性角不能滿足規范要求;解決不了因墩身剛度不足或缺陷引起的墩頂橫向振幅值，見圖1(b)。

3)方案3:增大墩身剛度和基礎面積。同時加大墩身截面和基礎面積的加固方案，除同時存在以上兩種方案存在的問題外，增加自重太大，圬工量大，加固費用高，不經濟，見圖1(c)。

4)方案4:增加樁基和墩身加斜撐方案。根據力學原理，在墩身兩側增加斜撐，能夠增加墩身橫向慣性矩，技術合理，節省費用。另根據結構力學原理，將因基礎剛體轉動引起的力傳遞給基礎兩側增加的鉆孔樁，不給既有基礎增加太多負擔。這種加固方案能同時解決墩身和基礎橫向剛度不足或缺陷，原理直觀，結構簡單，節省加固費用，見圖2和圖3。

根據以上分析，方案4能夠全面解決雙柱式橋墩目前存在的問題，經濟合理，因此，確定方案4為本次雙柱式高橋墩的橫向加固方案。但對于高度較低的雙柱式橋墩采用方案4顯然是不經濟的，因為低墩自身的橫向剛度較大，可以采用方案1。

方案4的加固形式為在每個橋墩基礎兩側各增設鋼筋混凝土鉆孔樁，增大基礎的橫向剛度，限制基礎剛體轉動;在墩身兩側增設鋼筋混凝土斜撐，增大橋墩的橫向剛度;在雙柱式橋墩的雙柱之間增設鋼筋混凝土聯板，使雙柱聯結為一個整體。圖2為2根樁加固方案，圖3為4根樁加固方案。考慮到節省工程費用、減少不安全因素，決定采用2根樁的加固方案。

對加固方案4采用有限元程序進行了仿真分析計算，結果見表2和表3。可以看出，其橫向自振頻率和橫向抗推剛度增加非常明顯。

圖1 橋墩加固方案

表2 k3+822特大橋加固方案橫向振動特性計算值比較

表3 k5+285特大橋加固方案的橫向振動特性計算值比較

圖2 雙柱式橋墩加固2根樁方案

3 加固施工

將雙柱式橋墩按墩身高度分為＞4.5 m和≤4.5 m兩類，采取不同的加固方案。

3.1 墩高＞4.5 m的雙柱式橋墩加固

圖3 雙柱式橋墩加固4根樁方案

根據仿真分析，對墩身高度＞4.5 m的橋墩，采用2根樁的方案，除墩柱間增設橫向聯板外，兩側增設鉆孔樁基礎、承臺和斜撐。樁長不小于6 m，承臺厚度不小于1 m，墩柱之間的橫聯板厚度取0.5 m，墩柱橫向外側的斜支撐高度取墩身高度的1/2至2/3、縱向厚度取墩柱的縱向寬度1.2 m、頂部橫向寬度取0.5至0.6 m、底部橫向寬度滿足鉆孔樁離既有基礎邊緣0.5 m的要求。

為保證加固效果，①對墩柱上的新舊圬工結合面打麻面處理，增大抗剪效果;②新承臺與舊圬工間采用植筋連接，為減小施工難度，承臺設置在既有基礎頂;③鉆孔樁長度確定為10 m。樁身離開基礎邊緣0.5 m;④斜撐與既有墩身間增設6道預應力筋，用于加強新舊圬工間的結合，提高其整體性，如圖4所示。

3.2 墩高≤4.5 m的雙柱式橋墩加固

墩身高度≤4.5 m的橋墩加固采用僅增設雙柱間橫聯板的方案。

為保證加固效果，①在混凝土中添加一定數量的膨脹劑，用于抵消混凝土的收縮量，添加膨脹劑的數量由實驗室通過試驗確定;②對墩柱上的新舊圬工結合面進行打麻面處理，增大抗剪效果;③在墩柱與橫向聯板間增設6道預應力筋，用于加強新舊圬工間的結合，提高其整體性，如圖5所示。

圖4 墩高＞4.5 m加固方案

圖5 墩高≤4.5 m加固方案

3.3 施工措施

1)鉆孔方案。根據該橋工程地質情況，基底地質為黏土、砂黏土，承載力在257～396 kPa，土質比較穩定，在鉆孔過程中不易塌孔。采用反循環旋轉鉆鉆進成孔，能夠更好地清除沉渣。為確保施工安全，在鉆孔樁施工中采用大比重泥漿護壁(泥漿相對密度1.2～1.4)，確保不塌孔。

2)承臺施工。①拆除樁頭。②承臺新舊圬工連接面鑿毛。③進行植筋處理，新舊圬工連接采用直徑16 mm HRB335螺紋鋼筋，平面間距按20 cm布置，分上下兩層，采用德國慧魚牌化學植筋膠將鋼筋植于既有墩身25 cm深。④ 灌注承臺C30混凝土。

3)斜撐及橫聯板混凝土施工。① 墩身舊圬工連接面鑿毛，栽牽釘。牽釘直徑φ20 mm，間距40 cm交錯布置，牽釘錨固采用LGT錨固包。②鉆預應力鋼筋孔，布設預應力筋，要保證兩墩柱上的鉆孔在一條直線上。③為保證加固效果，橫聯板混凝土中摻加一定量的膨脹劑，用于抵消混凝土的收縮。④ 混凝土灌注完畢經養護強度達到設計強度100%時，對預應力鋼筋進行張拉，張拉控制應力為0.75 fpk。⑤ 封錨。

3.4 實施效果

為驗證雙柱式橋墩的橫向加固效果，加固后進行了現場測試。實測第100號墩墩頂橫向振幅最大單峰值為0.22 mm(v=44.9 km/h)，較加固前幅值減小了87%(該橋墩加固前為1.63 mm，v=31.9 km/h);實測第101號墩墩頂橫向最大單峰值為0.34 mm(v=46.9 km/h)，較加固前幅值減小了68%(該橋墩加固前為1.06 mm，v=30.7 km/h)。試驗結果表明，橋墩加固后，墩頂橫向振幅得到了大幅降低，完全滿足《檢規》通常限值0.58 mm的要求(對于加固前的雙柱式橋墩，《檢規》沒有規定限值;加固后，墩身全高11.3 m，計算寬度4.1 m，應屬于低墩)。橋墩加固取得了理想的效果，達到了預期的目的，滿足了列車按照常速安全運行要求。

4 結語

在橋墩兩側增設斜撐以及基礎兩側增設鉆孔樁的加固方案，能夠同時解決墩身橫向剛度、基礎橫向剛度以及墩身與基礎間聯結缺陷等問題，技術合理，施工簡便，不損傷既有橋墩結構，且不影響加固施工期間的設備安全運營，不需要臨時行車過渡設施，經過加固后試驗驗證，取得了十分明顯的效果。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運輸［2004］120號 鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:人民鐵道出版社，2004.

［2］魏樹林，許光宏，羅錦章.新菏線跨京廣特大橋振動異常的檢定［J］.鐵道建筑，2010(4):31-34.

［3］朱利明，劉華.鐵路輕型雙柱式橋墩改造研究［J］.鐵道建筑，2009(4):19-24.