邯長(zhǎng)鐵路柔性墩加固設(shè)計(jì)與研究

蔣成強(qiáng)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

邯長(zhǎng)鐵路柔性墩加固設(shè)計(jì)與研究

蔣成強(qiáng)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,天津 300142)

邯長(zhǎng)線柔性墩加固時(shí)要求不能停車(chē)施工,大量柔性橋墩的加固改造及實(shí)施方案成為設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)對(duì)不加臨時(shí)墩等輔助措施直接立模板施工橋墩的理論分析研究,確定了橋墩加固時(shí)需架設(shè)臨時(shí)墩的施工步驟,以及臨時(shí)墩設(shè)計(jì)、墩身加固、基礎(chǔ)加固等措施。

柔性墩;加固方案;臨時(shí)墩;施工步驟

1 概述

柔性墩橋是把幾孔簡(jiǎn)支梁及其墩臺(tái),用適當(dāng)?shù)拇胧┻B接起來(lái),形成多跨的門(mén)式結(jié)構(gòu),以共同承受橋上傳來(lái)墩頂?shù)乃搅?此水平力按橋墩的剛度分配,因此可以顯著地減少柔性墩所承受的水平力,而使大部分水平力傳往剛性墩,從而使柔性墩的截面尺寸及圬工量減少,以達(dá)到降低全橋造價(jià)的目的。柔性墩橋結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式如圖1所示,圖中未注明者為柔性墩及固定支座。

圖1 柔性墩體系結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

柔性墩有一定的使用范圍,《鐵路柔性墩橋技術(shù)規(guī)范》(TB10052—97)有關(guān)規(guī)定 “……適用于時(shí)速不大于120km的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路,但不包括無(wú)縫線路地段”,《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)以下(簡(jiǎn)稱(chēng)《橋規(guī)》)有關(guān)規(guī)定“通?？刹捎脤?shí)體墩臺(tái)及厚壁空心墩,不得采用柔性墩、耳墻式橋臺(tái)和輕型結(jié)構(gòu)”。為提高運(yùn)量擴(kuò)大運(yùn)能,邯長(zhǎng)線全線需鋪設(shè)無(wú)縫線路軌道,柔性墩不再適用,需將柔性墩體系改造成普通簡(jiǎn)支梁體系。邯長(zhǎng)線柔性墩縱向?qū)捯话銥?.8m左右,最小縱向尺寸僅為0.5m,橋墩整體水平線剛度及墩身強(qiáng)度均不滿足相關(guān)規(guī)范要求,需對(duì)柔性墩墩身及基礎(chǔ)進(jìn)行加固。筆者對(duì)柔性墩加固設(shè)計(jì)方法及施工步驟進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述,并對(duì)柔性墩加固比較方案進(jìn)行了理論證明。

2 不加臨時(shí)墩等輔助措施直接立模板施工的可行性研究

由于邯長(zhǎng)線客貨運(yùn)量大,不能停車(chē)施工。方案比選時(shí)曾提出能否不架設(shè)臨時(shí)墩直接進(jìn)行基礎(chǔ)及墩身加固的方案,筆者對(duì)該方案進(jìn)行了理論論證。

不架設(shè)臨時(shí)墩直接加固的步驟為:先加固基礎(chǔ)再分層加固墩身。計(jì)算時(shí)將柔性墩簡(jiǎn)化成單墩模型,先計(jì)算出墩身及基礎(chǔ)的整體水平剛度,計(jì)算出實(shí)際工況下水平位移,用剛度乘以位移得出墩頂水平力,再進(jìn)行墩身截面驗(yàn)算(按偏壓桿件計(jì)算)。

墩頂位移主要由以下幾部分組成。

(1)制動(dòng)力產(chǎn)生的水平位移,由制動(dòng)力/總剛度即可得到,各墩位移相等。

(2)垂直荷載作用下梁端轉(zhuǎn)角引起的墩頂位移,轉(zhuǎn)角按簡(jiǎn)支梁轉(zhuǎn)角計(jì)算即可。公式如下

式中,yc為梁中性軸至梁底距離,m;θ為梁端轉(zhuǎn)角,rad;q為換算荷載,kN/m;l為跨度,m;E為彈性模量,MPa;I為截面慣性距,m4。

(3)整體升降溫引起梁伸縮變化進(jìn)而引起的墩頂位移,根據(jù)以下公式計(jì)算

式中,Δ1、Δ2分別為同跨內(nèi)兩墩墩頂位移,m;K1、K2分別為同跨內(nèi)兩墩水平抗推剛度,kN/m;Δt為溫差,℃;α為線膨脹系數(shù);l為跨度,m;E為彈性模量, MPa;A為梁截面面積,m2。

(4)固定支座縫隙產(chǎn)生的墩頂位移,按《鐵路柔性墩橋技術(shù)規(guī)范》(TB10052—97)取值。

基礎(chǔ)加固完成后,基礎(chǔ)剛度比墩身剛度顯著增強(qiáng),可將墩底視為固結(jié)進(jìn)行計(jì)算。橋墩水平抗推剛度表示為:3EI/l3,假設(shè)某橋墩一次加固2m,橋墩抗推剛度增加,但是柔性墩體系中剛體墩的剛度要比柔性墩大很多,柔性墩加固2m對(duì)柔性墩體系整體剛度基本沒(méi)有影響,故同種工況下加固前后墩頂位移基本不變。柔性墩墩身截面突變處彎矩可表示為:(l-2),由上式可知墩身加固越高,突變處截面受力越不利。

柔性墩設(shè)計(jì)中,單孔輕載、單孔重載、雙孔重載等荷載組合控制設(shè)計(jì)。選邯長(zhǎng)線中原溝中橋1號(hào)墩作為算例,按基礎(chǔ)加固完成墩身未開(kāi)始加固時(shí),墩身加固2m時(shí),墩身加固4m時(shí)分別計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 基礎(chǔ)加固完成墩底截面計(jì)算結(jié)果

表2 墩底加固2m后突變處截面計(jì)算結(jié)果

表3 墩底加固4m后突變處截面計(jì)算結(jié)果

既有墩身采用的原C20級(jí)鋼筋混凝土,查《橋規(guī)》可知,混凝土容許壓應(yīng)力為7MPa,鋼筋容許應(yīng)力160MPa,墩身加固至4m高時(shí),鋼筋拉應(yīng)力及混凝土壓應(yīng)力均超限。

根據(jù)以上理論推導(dǎo)及實(shí)例驗(yàn)證可知:不架設(shè)臨時(shí)墩直接加固墩身方案不可行。

3 施工步驟及臨時(shí)墩設(shè)計(jì)

本線要求不能停車(chē)施工,在進(jìn)行橋墩加固時(shí)需架設(shè)臨時(shí)墩。單個(gè)橋墩的加固次序?yàn)?

(1)加固基礎(chǔ)施工;

(2)安裝臨時(shí)墩;

(3)頂梁、拆除既有支座、安裝臨時(shí)支座;

(4)墩身及托盤(pán)加固;

(5)安裝新支座。

臨時(shí)墩采用鋼管支撐結(jié)構(gòu),4根鋼管為主要受力構(gòu)件,立在加固后承臺(tái)的四角,鋼管外徑0.7m,壁厚0.02m。鋼管之間用工字鋼連接,見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 臨時(shí)墩平面(單位:cm)

圖3 臨時(shí)墩立面(單位:cm)

為了材料的重復(fù)使用及施工方便,將臨時(shí)墩設(shè)計(jì)成4m一節(jié),底部設(shè)調(diào)節(jié)段,在具體工點(diǎn)施工時(shí)直接拼裝即可。

臨時(shí)墩支撐混凝土梁采用縱橫梁體系,即下橫梁錨固在鋼管頂部,縱梁緊貼混凝土梁錨固在橫梁上,上橫梁從支承墊石與梁底之間穿過(guò)下錨在縱梁上。

4 墩身加固

邯長(zhǎng)線柔性墩墩高大部分在25m以下,本設(shè)計(jì)統(tǒng)一加固成等截面矩形橋墩。柔性墩橫向尺寸較大,橫向剛度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,不需要加強(qiáng),但是為了滿足新舊混凝土連接需要,本設(shè)計(jì)將橫向兩側(cè)各加大0.3m。柔性墩縱向尺寸較小,最小僅為0.5m,縱向加固是柔性墩加固的重點(diǎn),加固尺寸需嚴(yán)格計(jì)算。選取具有代表性的地質(zhì)資料按多種荷載組合進(jìn)行墩身截面驗(yàn)算(按偏心受壓桿件),驗(yàn)算截面為墩頂、墩中、墩底。采用鐵三院橋梁處軟件RBCAD進(jìn)行墩身內(nèi)力計(jì)算,ASC程序進(jìn)行截面檢算,經(jīng)多次試算后得出如下結(jié)論:墩身高≤15m,加固后截面縱向?qū)?m;15m＜墩身高≤20m,加固后截面縱向?qū)?.4m;墩身高＞20m,加固后截面縱向?qū)?.6m。墩身縱向加固輪廓圖見(jiàn)圖4。

圖4 墩身縱向加固輪廓(單位:cm)

為加強(qiáng)墩身新舊混凝土的連接,需將既有墩身鑿開(kāi),短鋼筋焊接在既有主筋上。豎向焊接位置為既有箍筋的中間位置。也可以采用植筋的方式來(lái)加強(qiáng)新舊混凝土的連接,考慮到植筋費(fèi)用昂貴,邯長(zhǎng)線未采用。連接示意圖如圖5所示。

圖5 新舊混凝土連接示意

5 基礎(chǔ)加固

柔性橋墩基礎(chǔ)一般為明挖基礎(chǔ)、挖井基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ),出于安全和施工可行性的考慮,本線基礎(chǔ)統(tǒng)一加固成樁基礎(chǔ),以縱向2排橫向3排6根樁為主,樁邊緣距既有基礎(chǔ)邊緣不得小于20cm。加固后橋墩縱向水平線剛度需達(dá)到300kN/cm。

加固承臺(tái)包住既有基礎(chǔ)時(shí),采用植筋的方式增加新舊混凝土連接,植入深度及植筋間距需根據(jù)相關(guān)規(guī)程計(jì)算確定。植筋鉆孔要求使用專(zhuān)用的電鉆和鉆頭,以減少對(duì)既有結(jié)構(gòu)的破壞。植筋前將鉆孔清理干凈,注入植筋膠,植入鋼筋。

為減少對(duì)既有基礎(chǔ)的擾動(dòng),采用鉆孔樁施工,且鋼護(hù)筒跟進(jìn)長(zhǎng)度不低于5m。當(dāng)既有基礎(chǔ)為明挖基礎(chǔ)時(shí),為保證施工安全,防止既有墩傾斜,加固承臺(tái)底高出既有基礎(chǔ)底至少30cm。

6 施工注意事項(xiàng)

既有線柔性墩在既有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加固,而且是在列車(chē)運(yùn)營(yíng)振動(dòng)狀態(tài)下施工。施工中應(yīng)針對(duì)上述情況對(duì)混凝土的原材料選用、配合比參數(shù)確定、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)、植筋等各環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制,避免發(fā)生裂紋等問(wèn)題,確保柔性墩加固工程質(zhì)量。

新舊混凝土連接時(shí)應(yīng)先鑿毛、清洗干凈后再立模灌注混凝土。

開(kāi)工前與運(yùn)營(yíng)部門(mén)聯(lián)系,采取必要的安全措施,施工期間,列車(chē)應(yīng)限速,速度值根據(jù)臨時(shí)墩承載力計(jì)算確定。

墩身加固過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)既有橋墩墩頂偏移和沉降的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取應(yīng)急預(yù)案防護(hù)。

7 結(jié)語(yǔ)

以邯長(zhǎng)線柔性墩加固為背景,詳細(xì)介紹了墩身、基礎(chǔ)的加固方法,并對(duì)相關(guān)難點(diǎn)進(jìn)行了理論論證,為以后的柔性墩加固設(shè)計(jì)與研究工作起到了鋪墊作用。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10052—97 鐵路柔性墩橋技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,1997.

[7] 孫國(guó)鈞,王衛(wèi)東.淺基橋墩加固技術(shù)[J].橋梁建設(shè),2004(3): 73 -76.

[8] 吳斌.淺談西安至南京鐵路橋梁加固[J].交通科技,2008(S1).

[9] 周恩海.鐵路輕型橋墩橫向剛度加固設(shè)計(jì)與研究[J].鐵道建筑, 2006(5):5 -8.

[10]許建平.既有鐵路橋墩橫向剛度加固試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(11):68 -70.

[11]丁陽(yáng).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].天津:天津大學(xué)出版社,2004.

Strengthening Design and Study on Flexible Pier of Handan-Changzhi Railway

JIANG Cheng-qiang
(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Because the traffic of Handan-Changzhi Railway could not be interrupted when strengthening the flexible piers,the strengthening and renovation and implementation plans for a large number of flexible piers become to be the key points and difficult points in design.Firstly,the paper analyzes the construction with the formworks without the temporary piers.Afterwards,the construction procedure of pier strengthening which needs to erect the temporary piers is determined.Also,the temporary pier design,pier shaft strengthening,foundation strengthening and other measures are determined.

flexible pier;strengthening scheme;temporary pier;construction procedure

U443.2

A

1004 -2954(2012)12 -0061 -04

2012 -08 -30

蔣成強(qiáng)(1982—),男,工程師,2009年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè),工學(xué)碩士,E-mail:jiangcq06@163.com。