增補樁對重載鐵路橋梁橫向振幅影響研究

李峰幟

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

因其具有高效、環(huán)保、節(jié)能的突出特點，“貨運重載”已經(jīng)成為繼“客運高速”后的我國鐵路又一發(fā)展趨勢[1]。橋梁作為重載線路的重要基礎(chǔ)設(shè)備，在大軸重、多運量、高速度的重載條件下，其結(jié)構(gòu)性能不斷退化，各種病害出現(xiàn)并迅速發(fā)展，嚴(yán)重影響了運營安全，而擴(kuò)能改造則是解決這一問題的第一手段。

在進(jìn)行設(shè)備加固改造過程中，增補樁基法是墩臺基礎(chǔ)改造加固的重要手段，而如何確定增補樁基的數(shù)量、長度則是加固設(shè)計的首要問題[2]，為了設(shè)計科學(xué)合理的加固方案，需要從多方面進(jìn)行深入研究。基于此，本文擬開展增補樁數(shù)量及長度對橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅的影響規(guī)律研究，以期為后續(xù)墩臺基礎(chǔ)加固設(shè)計提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

朔黃鐵路磁河特大橋全長696.00 m，中心里程K277+541，橋跨為21孔32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁。該橋位于直線上，全橋均采用盆式橡膠支座，下部結(jié)構(gòu)為圓端形橋墩，上下行橋墩分離，但是共用承臺，除21#橋臺外，各墩臺均為摩擦樁基礎(chǔ)。由于2016年7月河北省普降特大暴雨，上游水庫泄洪，導(dǎo)致該橋8#～10#橋墩樁基裸露，嚴(yán)重危及行車安全，隨后對該橋的6#～11#橋墩進(jìn)行了基礎(chǔ)加固處理。由于加固后承臺尺寸變寬，過水面積減小，造成各橋墩沖刷深度均低于承臺底，在運營性能試驗中發(fā)現(xiàn)部分橋跨和墩頂橫向振動太大。結(jié)合水文計算，對1#～5#、12#～20#墩承載力檢算后發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)承載力不足，均不能滿足重載需要。基于提高基礎(chǔ)強度、剛度以及穩(wěn)定性目標(biāo)出發(fā)提出了“增補樁基法+擴(kuò)大基礎(chǔ)法”。為分析基礎(chǔ)加固措施及加固效果，選取其中一孔進(jìn)行分析，考慮到已經(jīng)加固橋跨以及邊跨對橋梁運營性能的影響，故選取距離干擾因素最遠(yuǎn)的第16孔及15#～16#橋墩為代表進(jìn)行研究。

1.2 橋梁基礎(chǔ)加固

加固前，橋墩高2.5 m，承臺厚2.0 m，平面為矩形，既有承臺尺寸為4.0 m×8.4 m，基礎(chǔ)為摩擦樁基礎(chǔ)，上下行共8根樁，直徑為0.8 m，墩身和基礎(chǔ)均采用250號混凝土，加固前橋墩及基礎(chǔ)立面如圖1(a)所示。新加固承臺底與既有承臺底齊平，承臺厚3.0 m，尺寸為：縱橋向8.0 m×橫橋向12.4 m，橋墩高度變?yōu)?.5 m，增補樁基為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，采用逐樁施鉆的方法以減小對既有橋的影響，樁基直徑為0.8 m，承臺采用C35混凝土，鉆孔灌注樁采用C30混凝土。加固后橋墩及基礎(chǔ)立面平面如圖1(b)、圖1(c)所示。

既有橋墩基礎(chǔ)四周增補鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁采用逐根施工法，當(dāng)前一根樁完成混凝土澆筑后，再施鉆下一根樁。施工時應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿濃度，防止塌孔，墩身及承臺新舊混凝土界面鑿露出粗骨料，既有墩身及承臺四周植入鋼筋，植筋之前應(yīng)對結(jié)構(gòu)體內(nèi)鋼筋探測，盡量避免傷及鋼筋，如發(fā)生干擾，適當(dāng)移動鋼筋位置，植筋完成后綁扎鋼筋，固定型鋼位置，支模板，澆筑承臺混凝土。加固前、后橋墩及承臺實景如圖2所示。

圖1 樁墩及基礎(chǔ)加固前、后結(jié)構(gòu)(單位：m)

圖2 加固前、后橋梁實景

2 有限元分析

2.1 樁基礎(chǔ)受力機理

外部荷載傳至樁基后，在樁身將產(chǎn)生軸力、剪力與彎矩，導(dǎo)致樁基發(fā)生豎向、橫向以及轉(zhuǎn)角位移。樁基的豎向位移會引起樁側(cè)摩阻力以及樁底豎向抗力；樁基的橫向與轉(zhuǎn)角位移將導(dǎo)致樁側(cè)土水平抗力[3]。因此，土中樁受力后產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，不僅與樁身剛度有關(guān)，且與土的抗力大小有關(guān)。樁—土—承臺相互作用共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，由于土是一種復(fù)雜的、多相的離散體系，很難將土所有特性考慮清楚來解決樁—土相互作用問題。

目前，工程中普遍采用簡化的模型進(jìn)行計算和分析。樁—土—承臺相互作用的有限元簡化模型，實際上是要把樁與土、承臺與土的作用問題分開考慮，用豎向樁端彈簧與垂直于軸向的樁側(cè)彈簧以及平行于樁的豎向彈簧模擬樁—土作用，采用承臺底面地基彈簧模擬承臺—土作用，樁身土彈簧和地基土彈簧相互獨立，基于不同理論假設(shè)[4]。其中，樁—土作用基于豎向彈性地基梁法，承臺—土作用基于溫克爾地基模型的基床系數(shù)法。樁基受力簡化模型如圖3所示。

圖3 樁—土—承臺相互作用簡化模型

2.2 有限元模型建立

橋梁有限元整體模型是依據(jù)磁河特大橋竣工圖紙、基礎(chǔ)加固圖紙與地址勘測資料(土層參數(shù)見表1)，根據(jù)本文研究內(nèi)容選用橋梁的第16孔、15#～16#橋墩以及基礎(chǔ)，通過Midas/Civil有限元軟件建立整體實體單元進(jìn)行模擬分析，按照新增補樁數(shù)量分別為6根、10根以及12根，樁長度18 m(既有樁長)、21 m、24 m、27 m、30 m分別建立有限元模型。在模型上施加節(jié)點動力荷載模擬列車荷載，節(jié)點動力荷載包括豎向荷載F以及橫向搖擺力Fs，F(xiàn)s取值為F的1/3[5]，本次模型施加的列車軸重為300 kN，F(xiàn)s為100 kN。模擬重載列車KM98以50 km/h行駛速度通過橋跨結(jié)構(gòu)時梁跨中以及橋墩墩頂橫向振幅等振動特性，分析各運營性能參數(shù)隨增補樁數(shù)量以及長度的變化規(guī)律，通過對比分析確定最優(yōu)加固方案。加固前、后有限元模型如圖4所示。

2.3 增補樁數(shù)量模擬分析

為研究增補樁數(shù)量的變化對橋梁跨中橫向振幅和墩頂橫向振幅的影響規(guī)律，以增補樁數(shù)量分別為6根、10根和12根三種方案為例進(jìn)行分析，具體布置形式如圖5所示。

表1 地基的橫向和豎向土彈簧剛度比例系數(shù)

圖4 有限元模型

圖5 新建基礎(chǔ)增補樁布置

通過已建立的整體有限元模型，通過改變增補樁的重度和邊界來分析不同數(shù)量增補樁對橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅的影響規(guī)律。樁長與既有樁相等(18 m)，模擬在列車軸重為300 kN作用下以50 km/h速度通過橋跨結(jié)構(gòu)時，加固前(橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅模擬結(jié)果如圖6所示)與加固后(不同增補樁數(shù)量)橋跨跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅最大值統(tǒng)計結(jié)果，詳見表2。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅模擬值

由表2可知：隨著基礎(chǔ)加固中增補樁數(shù)量的增加，橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅均逐漸變小；但當(dāng)增補樁數(shù)量到達(dá)12根時，梁跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅抑制比增長最為明顯，分別為10.5%和13.2%，考慮到橋梁加固效果與經(jīng)濟(jì)因素以及樁間距等現(xiàn)實情況，確定增補樁的數(shù)量為12根。

圖6 加固前橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅時程曲線

2.4 增補樁長度模擬分析

加固前與加固后(不同樁長)橋跨跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅統(tǒng)計結(jié)果詳見表3。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅模擬值

根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(鐵運函〔2004〕120號)規(guī)定，當(dāng)列車行駛速度為50 km/h時，橋梁跨中橫向振幅通常值、安全限值、墩頂橫向振幅通常值分別為：2.54 mm、3.56 mm、0.35 mm。由表3可知：橋跨跨中與墩頂橫向振幅均小于規(guī)范所規(guī)定的通常值，但加固前墩頂橫向振幅為0.296 mm，接近規(guī)范規(guī)定的通常值0.35 mm，說明橋墩橫向剛度偏小，需要采取加固措施；隨著基礎(chǔ)加固中增補樁長度的變大，橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅逐漸變小，但當(dāng)增補樁長度超過24 m時，加固對橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅的抑制比增長趨勢變緩，加固效果不太明顯。

3 運營性能試驗

朔黃鐵路公司于2018年對礠河特大橋部分橋墩進(jìn)行了“擴(kuò)大基礎(chǔ)+增補樁基”加固處理。加固方案以上一節(jié)有限元模擬為依據(jù)，增補樁數(shù)量為12根、長度為24 m。為驗證重載列車作用下加固效果，以第16孔及15#～16#橋墩測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在加固的橋墩墩頂、梁跨中布置891-Ⅱ型拾振器并配套數(shù)據(jù)采集儀及相關(guān)設(shè)備組成無線橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，采樣頻率為256 Hz。數(shù)據(jù)采集由列車到達(dá)信號自動觸發(fā)，實時監(jiān)控橋墩墩頂橫向振幅、縱向振幅和相應(yīng)橋跨跨中橫向振幅，如圖7、圖8所示。

圖7 梁跨中振動傳感器 圖8 墩頂振動傳感器

在不同列車車型作用下，對第16孔橋跨結(jié)構(gòu)加固前、后跨中橫向振幅測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，詳見表4。

表4 橋跨跨中橫向振幅實測值

由表4可知：加固前、后橋跨跨中橫向振幅隨著列車軸重的增加而逐漸變大，且均低于規(guī)范規(guī)定的通常值2.54 mm；不同列車車型跨中橫向振幅抑制比在27%～35%之間，與有限元模擬結(jié)果28.2%比較接近，證明有限元模型的準(zhǔn)確性以及加固方案的有效性。

在不同列車軸重作用下，對16#橋墩加固前、后墩頂橫向振幅測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，實測結(jié)果詳見表5。

由表5可知：隨著列車軸重的增加，加固前、后墩頂橫向振幅逐漸變大，但相對于加固前，加固后墩頂橫向振幅隨列車軸重的增長趨勢較緩；加固前墩頂橫向振幅最大值為0.276 mm，接近規(guī)范規(guī)定的通常值，但加固后墩頂橫向振幅最大值為0.165 mm，最小抑制比為36.0%，最大抑制比為44.5%，說明加固效果較為明顯。

表5 16#橋墩墩頂橫向振幅實測值

4 結(jié)論

本文以朔黃鐵路磁河特大橋“增補樁基法+擴(kuò)大基礎(chǔ)法”基礎(chǔ)加固為背景展開研究，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場運營性能測試相結(jié)合的技術(shù)路線，分析不同增補樁長度對橋跨跨中以及墩頂橫向振幅的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)利用Midas/Civil有限元軟件建立整體實體單元模擬3種數(shù)量的增補樁。通過數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，當(dāng)增補樁數(shù)量到達(dá)12根時，梁跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅抑制比增長最為明顯，加固效果最好，分別為10.5%和13.2%。

(2)當(dāng)增補樁數(shù)量為12根時，通過有限元軟件模擬分析增補樁長度18～30 m可知，橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅隨著增補樁長度的增加而逐漸變小，但當(dāng)增補樁長度為24 m時，加固效果最為明顯，跨中橫向振幅抑制比為28.2%，墩頂橫向振幅抑制比達(dá)到39.5%。

(3)通過現(xiàn)場運營性能試驗測試數(shù)據(jù)可知，無論是加固前還是加固后，橋跨跨中以及墩頂橫向振幅均隨著列車軸重的增大而變大，但加固后，列車軸重對橋梁結(jié)構(gòu)橫向振幅的影響程度變小；基礎(chǔ)加固對跨中橫向振幅的抑制比最大為34.6%，對墩頂橫向振幅的抑制比最大為44.5%，說明加固對橋墩橫向剛度的影響效果較為明顯。