大秦線橋梁圓柱形高墩加固技術初探

何海宏

大秦線橋梁圓柱形高墩加固技術初探

何海宏

以大秦線灤河特大橋加固為例,簡要介紹采用連接兩個橋墩托盤和墩帽的方法,使其成為框架結構,指出該加固技術既可有效增加橋墩的橫向剛度,又提高了橋墩的基礎穩定性,應用前景廣泛。

高墩,加固方案,施工方法

1 存在的問題

大秦線是我國第一條重載鐵路和雙線電氣化運煤專用線,全長 653.02 km,開行 2萬t長大重載列車后,列車軸重提高到 25 t,列車編組數量增加到 240輛,主要車型逐步過渡為 C80。其中橋梁共 375座。大秦線橋墩以圓端形、圓柱形、雙柱形為主,最大墩高 50m。基礎為擴大基礎、樁基或沉井。本次試驗在灤河特大橋共測試了 28個橋墩,其中下行線(重車線)、上行線(輕車線)分別測試了 14個橋墩,墩高均在 17.6m～34.1m范圍內,測試內容主要為墩頂橫向振幅和橋墩橫向自振頻率,同時對基礎振動的影響也進行了測試。

從下行線(重車線)橋墩實測結果來看,墩高在17.6m～21.6m之間的橋墩墩頂橫向振幅普遍超過相應《橋檢規》通常值的要求,最大超出1.47mm,是相應通常值的 2.05倍;橋墩橫向自振頻率均不滿足《橋檢規》通常值的要求,說明墩高在此范圍內的橋墩的橫向動力性能較差,不利于行車安全,墩高在 21.6m～24.6m之間的橋墩,墩頂橫向振幅有超過《橋檢規》通常值的現象,橋墩橫向自振頻率大部分也不能滿足《橋檢規》通常值的要求;墩全高在31.1m～34.1m之間的橋墩,墩頂橫向振幅均能滿足相應《橋檢規》通常值的要求。從上行線(輕車線)橋墩實測數據來看,墩高在 17.6m～21.6m之間的橋墩,墩頂橫向振幅也普遍超過相應《橋檢規》通常值的要求,最大超出通常值達 1.13mm,是對應《橋檢規》通常值 2.1倍,橋墩橫向自振頻率均不滿足《橋檢規》通常值的要求;墩高在 21.6m～24.6m之間的橋墩,墩頂橫向振幅有超過《橋檢規》通常值的現象,橋墩橫向自振頻率均不能滿足《橋檢規》通常值的要求;墩高在 31.1m～34.1m之間的橋墩,墩頂橫向振幅均能滿足相應《橋檢規》通常值的要求。

從大秦線設備現狀和線橋動力試驗結果看,大秦線既有橋梁、橋墩設備還不能完全適應重載的需要,長期運營會導致橋梁的損傷甚至疲勞破壞,病害會呈逐步惡化趨勢,影響重載列車的運營安全。

2 加固方案初探

結合前期試驗結果,圓形中高橋墩的加固設計和計算選用灤河特大橋的 15號～17號橋墩進行,其中 15號橋墩為擴大基礎, 16號、17號橋墩為樁基礎,樁長 8m～9m,橋墩結構尺寸見表 1。加固的主要目的是增大圓形中高墩橋墩的橫向剛度,減小橫向振幅,大秦線為雙線鐵路,在加固方法上,根據橋墩位置的實際狀況,分兩個方面進行加固方案設計及計算分析。

表1 橋墩結構尺寸 m

對于上、下線并行,兩個橋墩比較靠近時,主要采用連接兩個橋墩的托盤和墩帽方法,使其成為框架結構,既可有效增加橋墩的橫向剛度,同時對基礎分開或連在一起的狀況也分別進行了計算,該條件下共提出 4種方案,加固方案見圖 1。具體加固方案如下：

方案一：兩橋墩托盤和頂帽處自上向下連接 0.6m;

方案二：兩橋墩托盤和頂帽全部連接;

方案三：方案一+基礎連接;

方案四：方案二+基礎連接。

對于第一種情況：上、下線并行,兩個橋墩比較靠近時,研究采用連接兩個橋墩的托盤和墩帽,使其成為框架結構的加固方案,加固前以及1～4加固方案中,橋墩的橫向、縱向一階自振頻率計算結果見表 2。

通過對各方案計算結果的比較,考慮加固效果、施工條件及墩帽連接的完整性,選擇了加固方案二作為灤河特大橋 15號 ～17號橋墩橫向加固的實施方案。墩帽全部連接加固后,橫向一階超過3.2Hz,橋墩橫向剛度提高較大,考慮墩身與托盤連接部位在橫向力作用下可能會產生的附加應力,也進行了相應驗算。按列車的最大橫向力,當墩頂單側作用 10 t橫向力時,加固部分的混凝土產生的最大壓應力為0.221MPa,最大拉應力0.275MPa;此時,墩身與托盤連接部位橫橋向最大壓應力 0.982 MPa,最大拉應力0.137MPa,豎向最大壓應力 2.32MPa,無拉應力。計算結果表明,在列車橫向力作用下對墩產生的附加應力較小。

表2 橋墩加固前后自振頻率計算結果 Hz

在墩帽上施加60 t預應力時,經計算,墩身與托盤連接部位橫橋向最大壓應力0.556MPa,最大拉應力0.075MPa;豎向最大壓應力1.50MPa,無拉應力。

3 橋墩加固施工方法

3.1 加固施工工序

雙柱式橋墩墩帽橫向聯結的施工工序：

兩側墩帽相鄰部位各鑿掉 30 cm寬混凝土→墩帽斜面混凝土表面鑿毛→鉆錨固筋孔→埋設錨固筋→綁扎普通鋼筋→立模→橫向施加臨時預應力→灌注混凝土→養護→拆模→混凝土表面涂刷養護劑(或灑水養護)→拆除臨時預試應力→新老混凝土接面處涂刷聚氨酯防水涂料。

加固結構為鋼筋混凝土結構,水平錨固鋼筋如與墩帽內原鋼筋相鄰,應焊接在一起。施工中應確保混凝土強度符合設計要求,應設專人負責質量檢查,并填寫相應的質量檢查表。

3.2 普通鋼筋加固

1)按圖紙要求確定水平錨固鋼筋的數量及位置,錨固φ16鋼筋的鉆孔直徑為 26mm,鉆孔深度不小于 20 cm。如果孔位遇到內墩鋼筋,可適當移動位置。2)成孔后,孔眼必須用水清洗干凈,否則將影響鋼筋的錨固效果。3)新增橫向聯結與墩帽結合面應鑿毛、清除浮漿,并清洗干凈,以增加新老混凝土之間的粘結。4)水平錨固鋼筋采用植筋膠錨固,植筋膠型號為 FH-E131型植筋膠,錨固工藝按產品使用要求進行。5)橫向錨固鋼筋的搭接長度不得小于 20倍鋼筋直徑,搭接位置不得在同一截面上,鋼筋綁扎

牢固。6)箍筋的尺寸和數量應符合圖紙要求。

3.3 模板及其安裝

1)模板可用鋼材或木料制作。2)模板應具有足夠的強度、剛度和穩定性,能安全可靠地承受新灌注混凝土的重力、側壓力、列車和附著式振動器的振動荷載。3)模板應表面平整、接合嚴密、便于拆卸。4)模板表面應涂脫模劑。5)模板應依托在混凝土墩身上,以確保列車過橋時模板與墩帽相對位移。

3.4 混凝土原材料及成型

1)原材料選擇及成型。a.水泥應選用符合GB 175-1999硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥標準中的 525號與普通硅酸鹽水泥,每批水泥必須有廠方提供的質保單。b.混凝土拌合物的和易性以坍落度8 cm～10 cm為宜。c.混凝土28 d強度應達設計要求。d.為保證新灌混凝土不出現收縮裂縫,拌制混凝土時,宜摻入膨脹劑,摻量由試驗確定。

2)攪拌。a.混凝土拌合物可采用機械或人工攪拌的方式攪拌均勻,機械攪拌時間不得低于3 min。b.混凝土的每一組分必須采用計量合格的稱量工具準確稱量,其稱量的允許誤差：水泥為±2%,砂子及石子為±3%,水及減水劑為±1%。

3)灌注。a.混凝土應分層灌注,每層厚度不宜大于30 cm,宜用插入式振搗器振搗密實。b.每個墩帽橫向聯結的混凝土從加水攪拌起,至灌注完畢不宜超過 2 h。c.在灌注混凝土的同時,應制作混凝土強度試塊,以提供 28 d齡期的強度。

4)拆模及檢驗。a.在混凝土強度達到設計的 60%后方可拆去模板。b.若發現混凝土存在外觀缺陷時,可采用混凝土或砂漿修補。c.如對混凝土質量有異議時,可采用混凝土強度無損檢測技術檢驗混凝土的強度是否滿足設計要求,一旦發現強度不足,應及時采取補救措施。d.拆模后,在混凝土表面涂刷一層養護劑進行養護(或灑水養護)。

3.5 防水層涂刷

新老混凝土接面處采取聚氨酯防水涂料進行 3次涂刷,每次間隔時間不超過 1 h。防水層寬度應在 15 cm左右。

4 加固后的效果及推廣前景

灤河特大橋下行線第 15號,16號,17號墩進行了墩帽橫向連接加固后,橋墩橫向自振頻率在2.34 Hz～2.69 Hz,比加固前橋墩的橫向自振頻率提高約 60%～70%,增加幅度與理論計算值一致;加固后實測墩頂橫向振幅最大為1.81mm,加固后橋墩的墩頂橫向振幅普遍小于加固前墩頂的橫向振幅,減小幅度在 50%左右。加固后橋墩的橫向剛度得到明顯改善,橋墩的橫向自振頻率和墩頂橫向振幅均滿足《橋檢規》通常值的要求。實測結果表明,加固效果顯著。同時,此方法比常規的整體包箍橋墩的方法造價要低得多,只相當于其造價的 30%,節約了成本,可全面在重載鐵路類似情況中推廣,前景廣泛。

[1] 鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.大秦線年運量 2億噸條件下橋梁結構加固和壽命評估試驗研究[Z].

On exp loration for column type and high pier intensification technique along Datong-Qinhuangdao railway

HE Hai-hong

Taking the intensification of Luanhe super-large Bridge along Datong-Qinhuangdao railway as the examp le,the paper introduces the method of connecting the two pier tray and pier hat,points out the intensification technique is the frame structure,which can increase the horizontal stiffness of the pier,and imp rove the foundation stability of the pier,so it has extensive future.

high pier,intensification scheme,construction methods

U 445.72

B

1009-6825(2011)09-0180-02

2010-12-11

何海宏(1969-),男,工程師,太原鐵路局工務處,山西太原 030013