框格式橫系梁托換既有鐵路病害橋墩施工技術

文｜昆明鐵路局工務處 崔慶宏

1 引言

水紅鐵路托摩地大橋建成于1998年，位于貴州省六盤水境內(nèi)。該處橋梁位于R=450m圓曲線上，橋上線路縱坡-1.0‰，上部為8×24m預應力鋼筋混凝土T型簡支梁橋，下部采用150號片石混凝土圓端型實體橋墩，基礎為1.5m樁基礎，橋梁全長L=211m，均為搖軸式支座，原設計荷載為中-活載。

本次需托換整治的為6號橋墩，墩高28m。由于原施工墩身混凝土質(zhì)量存在初始缺陷，建設時期曾通過擴承臺、加樁及抱箍墩身加固等措施進行治理，運營至今病害加劇，已無法確保列車安全正常運行。

2 工程概況

設計在既有6號橋墩橫向增設門式剛架橋墩，墩底設置承臺和樁基礎，墩頂沿橋梁橫向既有頂帽及托盤外側(cè)設置兩道框格式預應力橫系梁，形成框格橫系梁門式剛架橋墩（以下簡稱“框格門式剛架墩”）。橫梁頂面上采用千斤頂或鋼軌束臨時支撐既有24mT梁(封閉線路施工)，鑿除既有橋墩頂帽后，采用工50C工字鋼束梁縱橋向支撐于橫梁上，將工字鋼束梁與混凝土一起澆注，形成新的橋墩頂帽(綁扎鋼筋、立模、澆注頂帽混凝土及強度形成，在封閉線路施工條件下施工)，采用既有支座永久支撐24mT梁。待6#墩托換完成后，廢止及拆除既有6#橋墩。

框格門式剛架墩兩側(cè)墩柱對稱布置，為群樁基礎。其橋墩截面尺寸采用4×3m矩形橋墩，承臺尺寸為7.3×5×2.5m矩形承臺；各采用4根直徑1.5m鉆孔灌注樁，按嵌入式柱樁設計。框格式橫系梁高2.5m，底部與墩柱設加腋5.5×2.5m，框格門架式剛架橋墩全高29.9m。本文著重介紹框格門式剛架墩高墩橫系梁的施工技術及采用鋼管樁施工方案穩(wěn)定性驗算。

3 框格式橫系梁施工

3.1 門式剛架墩橋墩

托換墩框格式橫系梁高2.5m，兩橫系梁各寬1.2m，凈跨16.40m，下底高于承臺26.9m，上頂比梁底面低1.0m。與矩形橋墩柱一起澆注，并與矩形墩柱固結(jié)，橫系梁施工時中部預留鋼筋接頭施作新墩帽（既有墩帽重合）。

3.2 上部永臨支撐體系

（1）門式剛架墩形成后，封鎖線路，千斤頂分別在5#、6#、7#墩將兩跨24mT梁頂升，利用橫梁頂鋼軌束臨時支撐。鑿除6#原橋墩頂帽至設計標高，用56C 工字鋼束縱橋支撐并與預留鋼筋一起綁扎、澆注混凝土，形成新的橋墩頂帽。

（2）臨時支墩：為加強臨時支撐的穩(wěn)定性，降低臨時支撐高度，在橫梁上臨時支撐 T 梁的位置處設置 600×70×50cm 鋼筋混凝土支墩。橋梁施工完成后與板式頂帽一起澆注，整體形成600×480×100cm的橋墩頂帽。

（3）縱梁：在既有 T 梁支承墊石(即支座)對應位置設置 5 片一組 56 C 工字鋼束梁(工字鋼采用Q235q，工字鋼束制作過程中預留支座螺栓孔位)，長3.4m，兩端支撐于先期施工完成的墩柱頂橫梁上，橫梁支撐位置預埋20mm 厚鋼板，與工字鋼下翼緣焊接，用于澆注橋墩頂新設板式頂帽時增大施工過程中的安全儲備，后期與頂帽混凝土一起澆注，形成橋墩板式頂帽。

（4）頂帽：用千斤頂或鋼軌束梁在臨時支撐既有 24mT 梁于橫梁臨時支撐塊條件下，快速鑿除既有橋墩頂帽部分混凝土并綁扎頂帽、支承墊石鋼筋，然后立模，將縱橋向5片一組工56C 工字鋼束梁采用鋼筋混凝土一起澆注，形成橫橋向6.00m，縱橋向3.40m，高1.00m 的橋墩頂帽，并與先期完成的橫梁頂?shù)呐R時支撐塊連接為一整體，最終形成橫橋向6m，縱橋向4.8m，高1m的橋墩頂帽，結(jié)合橋梁支座永久支撐24mT梁。

（5）待新的橋墩頂帽混凝土強度達到設計強度的75%后，恢復支座永久支撐24mT 梁，完成橋墩托換，設計強度的98%后恢復常速。一并拆除既有6號橋墩墩身、托盤及墩帽等構造物。

（6）轉(zhuǎn)換既有T梁為臨時支撐、鑿除既有橋墩頂帽大約需要封閉線路2天。

3.3 外部臨時支撐體系

由于橫系梁距地面較高約27米，且橋下場地條件有限，若采用滿堂支架施工桿件變形較大，整體穩(wěn)定性較差，支架組裝費時費工，施工期間存在一定風險。為加快工期減少對既有線運營干擾，通過研究計算分析采用鋼管柱支撐，由墩頂用精軋螺紋鋼筋下掛橫梁現(xiàn)澆整體平臺施工，更為安全有效。

橫梁現(xiàn)澆支架主要由鋼管立柱、牛腿預埋件、分配梁A、分配梁B及模板系統(tǒng)組成。鋼管立柱采用Φ609×13mm鋼管，支承在原橋墩承臺上，橫、縱橋向均布置兩排，牛腿預埋件布置于新修橋墩矩形墩柱上；分配梁A采用2I56a型鋼截面，沿縱橋向布置，支撐于鋼管立柱及牛腿預埋件上；分配梁B位于橫梁正下方，采用2I56a型鋼截面，支撐于分配梁A上；模板系統(tǒng)由∠75×7mm角鋼+5mm鋼板組成；分配梁A與鋼模板系統(tǒng)間采用100mm×100mm方木沿橫縱向布設，利于過渡和調(diào)節(jié)。

4 橫梁現(xiàn)澆支架平臺受力驗算

支架平臺計算主要分為上部鋼模板、橫向分配梁，下部豎向鋼管支撐及各桿件細部結(jié)構等，依據(jù)本設計施工圖，《簡明施工計算手冊》及各現(xiàn)行相關規(guī)范計算。

4.1 計算荷載

本平臺恒載主要為混凝土結(jié)構自重、施工荷載及模板自重等。此處混凝土容重按照26.25kN/m3考慮，施工荷載及模板自重按照7kPa考慮。

4.2 結(jié)構設計限值

由于本結(jié)構為臨時工程，采用容許應力法計算。

Q235鋼材允許應力值：容許彎曲應力：[σ]=170MPa；容許剪切應力 ：[τ]=100MPa。

4.3 鋼模板計算

鋼模板由∠75×7mm角鋼+5mm鋼板組成，∠75×7mm角鋼最大布置間距為370mm，最大跨度為800mm，鋼板最大凈距220mm，橫梁最大高度位置高為3.35m。

（1）5mm鋼板計算

現(xiàn)取寬度為1mm鋼板，按照單向板，采用連續(xù)梁模型對其進行檢算：

（2）∠75×5mm角鋼計算

鋼模板計算結(jié)論：根據(jù)對鋼模板強度、剛度、變形等計算均滿足規(guī)范限值要求。

4.4 分配梁檢算

分配梁A支撐于鋼管立柱頂，采用2I56a型鋼截面。本次分別梁及鋼管立柱支撐采用有限元軟件 MIDAS CIVIL建立整體模型計算所示：

驗算結(jié)果

根據(jù)有限元計算分析，結(jié)果如表1所示。

4.5 鋼管立柱檢算

橫梁立柱采用φ609×13mm鋼管，柱高22.2m，最大自由長度8.0m。根據(jù)模型計算，立柱最大軸向力最大彎矩此處按壓彎結(jié)構對立柱進行承載力檢算。

4.6 牛腿預埋件檢算

根據(jù)結(jié)構設計圖，牛腿預埋件主要承剪力作用，受力原理為彎剪預埋件，現(xiàn)按照彎剪預埋件對預埋件進行結(jié)構檢算。

根據(jù)模型計算，預埋件最大豎向剪力577kN，則最大彎矩115.4kNm，預埋件為彎剪預埋件，則預埋件所需最小錨筋截面面積為：

式中：順剪力方向錨筋層數(shù)影響系數(shù)，此處錨筋為3層取0.9；錨筋受剪承載力系數(shù)，經(jīng)計算取0.49；錨板彎曲變形的折減系數(shù)，由于此處牛腿上翼緣加強了錨板受拉區(qū)的彎曲剛度，故此處錨板可按無彎曲變形考慮，取1.0；外層鋼筋中心線之間的距離，此處為0.3m；錨筋抗拉強度設計值，但不應大于300MPa。

預埋件共設12根Φ28鋼筋，實際錨筋總截面積為7385mm2，故牛腿預埋件承載力滿足要求。

4.7 結(jié)論

通過以上計算和分析，鋼模板、分配梁、鋼管立柱和鋼管立柱連接系強度和穩(wěn)定均滿足要求，結(jié)構安全可靠。

表1 施工階段分配梁A驗算表

5 托換既有病害橋墩有效方法及施工措施

隨著我國鐵路建設事業(yè)高速發(fā)展，目前既有橋梁病害也突顯上升趨勢，既有線橋墩托換案例也屢見不鮮，為保證鐵路安全運營減少干擾，對設計、施工而言能采取行之有效的措施更為重要，根據(jù)本次工程結(jié)合以往經(jīng)驗，對既有橋墩托換及施工改進后效果較為顯著，其優(yōu)點如下：

（1）采用框格式橫系梁門式剛架墩對既有橋墩托換，結(jié)構簡單有效，較傳統(tǒng)采用軍用墩、貝雷梁及支架等方案時，體系轉(zhuǎn)換更為簡便。

（2）框格式橫系梁門式剛架墩縱橫向剛度更好。

（3）采用框格式橫系梁門式剛架墩并結(jié)合整體橫梁現(xiàn)澆支架平臺施工永臨結(jié)構整體穩(wěn)定性更好，并能有效縮短施工周期，控制既有線施工風險。

（4）該施工措施更適宜高墩置換。

（5）施工采用整體橫梁現(xiàn)澆支架平臺對橋下操作空間適應性更好。

6 總結(jié)

托摩地大橋6號橋墩病害整治工程采用框格式橫系梁門式剛架墩托換，并結(jié)合整體橫梁現(xiàn)澆支架平臺的施工方案可行有效，經(jīng)濟適用，施工收到良好效果。目前該項目已施工完成，并通過竣工驗收。該項目在施工過程中對既有線運營干擾控制卓有成效，創(chuàng)造一定經(jīng)濟及社會效益，可為以后類似工程提供參考。