朔黃鐵路韓村大橋單圓柱橋墩加固效果試驗(yàn)研究

王定舉

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350)

朔黃鐵路韓村大橋單圓柱橋墩加固效果試驗(yàn)研究

王定舉

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350)

朔黃鐵路韓村大橋采用單圓柱橋墩，橫向剛度不足，制約運(yùn)輸能力，先后兩次采取加固措施。對(duì)加固后橋梁的動(dòng)力性能進(jìn)行了測(cè)試，分析了橋梁在運(yùn)營(yíng)列車作用下的動(dòng)力響應(yīng)。分析結(jié)果表明:受測(cè)試列車車輛狀態(tài)的影響，橋梁動(dòng)力響應(yīng)值存在一定的離散性，采用實(shí)測(cè)平均值比實(shí)測(cè)最大值來(lái)評(píng)判加固效果更為合理;單圓柱橋墩加固采用上下行橋墩橫連和加樁基礎(chǔ)加固，橋墩動(dòng)力性能明顯得到改善，橋梁梁體橫向振動(dòng)有所降低，所有實(shí)測(cè)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。該橋加固效果明顯，其加固方法可為類似工程提供參考。

朔黃鐵路 單圓柱 橋墩加固 動(dòng)載試驗(yàn)

1 工程概況

朔黃鐵路西起山西省神池縣，東至河北省黃驊市，全長(zhǎng)585 km，為國(guó)家I級(jí)鐵路［1］。朔黃鐵路自2000年5月18日開通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，我國(guó)早期采用轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架的C62等貨車在部分橋梁出現(xiàn)了晃車現(xiàn)象，橋梁橫向振幅偏大，其中韓村大橋(166#橋)較為明顯。2007年3月至2008年9月對(duì)韓村大橋部分墩及其基礎(chǔ)進(jìn)行了第1次加固。2010年10月，石家莊鐵道學(xué)院鐵道工程檢測(cè)中心對(duì)該橋進(jìn)行了運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)［2］。檢測(cè)結(jié)果表明，下行列車以80 km/h試驗(yàn)速度通過(guò)測(cè)試橋跨時(shí)，3#墩墩頂橫向振幅超過(guò)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的通常值［3］，但滿足下行線75 km/h的運(yùn)營(yíng)要求。因此，該橋自2010年10月下行線按速度70 km/h限速運(yùn)行，上行線按速度80 km/h正常運(yùn)行。

朔黃鐵路2013年運(yùn)量達(dá)到2.34億t，2014年計(jì)劃運(yùn)量3.06億t，為進(jìn)一步提高朔黃鐵路的運(yùn)輸能力，需要對(duì)韓村大橋橋墩基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)，以增大橋墩的橫向剛度，取消下行線限速。2013年12月對(duì)該橋進(jìn)行了第2次加固，2014年1月北京交通大學(xué)對(duì)該橋進(jìn)行運(yùn)營(yíng)性能試驗(yàn)［4］。

朔黃鐵路橋梁部分采用了單線單圓柱橋墩，橋墩直徑2.0～2.4 m，與全線大量采用的雙線圓端型橋墩相比，其橫向剛度較弱。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐反映出不少單圓柱型橋墩橫向動(dòng)力性能較差。開展韓村大橋單圓柱橋墩加固效果試驗(yàn)研究，可對(duì)朔黃線全線單圓柱橋墩橫向加固措施提供工程參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 橋梁加固情況

朔黃鐵路韓村大橋中心里程為K353+292，全長(zhǎng)152.42 m。上部結(jié)構(gòu)孔跨布置為3×24 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土T梁(圖號(hào)為專橋2059)+2×32 m跨度超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土T梁(圖號(hào)為叁橋2005)。梁體支座為盆式橡膠支座(圖號(hào)為專橋8156)。該橋采用雙線鋼筋混凝土耳墻式橋臺(tái)，鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑為0.8 m，樁長(zhǎng)29.0～33.0 m。橋墩采用單線鋼筋混凝土單圓柱墩，雙線錯(cuò)線布置，上行線墩柱截面直徑為2.0 m，下行線墩柱截面直徑為2.4 m，墩高4.5～5.5 m。地層自上而下依次為砂黏土、中砂、砂黏土、中砂、砂黏土、中砂、砂黏土、中砂。設(shè)計(jì)活載為中—活載，地震基本烈度6度，凍結(jié)深度0.6 m。本橋測(cè)試第4孔梁及3#，4#橋墩間橋跨結(jié)構(gòu)。

第1次加固方案是上下行線1#—4#墩的墩身采用寬1.2 m、高與墩身同高的鋼筋混凝土板聯(lián)結(jié)，兩線承臺(tái)斜向聯(lián)結(jié)成整體，做成雙線整體橋墩，見圖1。第2次加固方案是對(duì)1#—4#墩基礎(chǔ)采用直徑0.6 m灌注樁進(jìn)行加固，并設(shè)置承臺(tái)將既有兩線分離式承臺(tái)聯(lián)結(jié)為整體。由于剛性角較大，于新建承臺(tái)上設(shè)置1.0 m高加臺(tái)，新舊承臺(tái)采用植筋聯(lián)結(jié)，見圖2。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容:自振頻率;梁體跨中截面豎向振幅、橫向振幅;梁體跨中截面豎向加速度、橫向加速度;墩頂橫向振幅;活動(dòng)支座橫向位移;列車速度和位置。韓村大橋下行線動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖1 韓村大橋第1次橋墩及基礎(chǔ)加固示意(單位:cm)

圖2 韓村大橋第2次橋墩及基礎(chǔ)加固示意(單位:cm)

圖3 韓村大橋下行線動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要分為振幅、加速度與列車速度。振幅及加速度傳感器采用國(guó)家地震局哈爾濱工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的891—Ⅱ傳感器與積分放大器。列車速度和位置傳感器采用永磁磁鋼。各傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)電纜連接至動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

2.4 測(cè)試列車

第1次加固后試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)A)測(cè)試列車類型主要為C64，C70A，共測(cè)試運(yùn)營(yíng)列車44趟，運(yùn)營(yíng)列車速度62～75 km/h，平均車速65 km/h。第2次加固后試驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)B)共測(cè)試運(yùn)營(yíng)列車200趟，列車速度在61～81 km/h，平均車速69 km/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 自振頻率

試驗(yàn)A與試驗(yàn)B均采用沖擊振動(dòng)法對(duì)韓村大橋下行線4#梁體自振頻率進(jìn)行了測(cè)量。兩次試驗(yàn)實(shí)測(cè)梁體橫向自振頻率分別為3.51，3.75 Hz，實(shí)測(cè)值均大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》橋跨結(jié)構(gòu)橫向自振頻率通常值90/L(2.81 Hz，L為梁體跨度)，梁體橫向剛度滿足要求。

3.2 梁體豎向振動(dòng)

試驗(yàn)A、試驗(yàn)B測(cè)試列車作用下，韓村大橋下行線4#梁體跨中豎向振幅最大值分別為1.94，0.89 mm。兩次試驗(yàn)實(shí)測(cè)梁體豎向強(qiáng)振頻率與列車速度/車長(zhǎng)均呈線性關(guān)系，并與強(qiáng)振頻率理論計(jì)算值(車速/車長(zhǎng))［5］吻合;左右兩片梁跨中豎向振幅、相位及相關(guān)關(guān)系在梁體豎向響應(yīng)的主要頻率范圍內(nèi)呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)接近1.0，說(shuō)明兩片梁體豎向共同作用狀態(tài)較好。

試驗(yàn)A、試驗(yàn)B測(cè)試列車作用下，韓村大橋下行線4#梁體跨中豎向加速度最大值分別為1.94，1.12 m/s2，均滿足規(guī)范限值(3.50 m/s2)要求［3］。

3.3 梁跨體系橫向振動(dòng)

為評(píng)估橋梁橫向加固效果，本文從梁體橫向振幅及橫向加速度、橋墩墩頂橫向振幅、活動(dòng)支座橫向位移進(jìn)行評(píng)價(jià)。梁跨體系橫向剛度評(píng)價(jià)方法按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)性能檢驗(yàn)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，其評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。需要說(shuō)明的是，韓村大橋由于采用上下行橋墩橫連等加固措施，加固后橋墩屬于特殊結(jié)構(gòu)，其墩頂橫向振幅通常值《鐵路橋梁檢定規(guī)范》沒有相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。為評(píng)估加固效果，橋墩墩頂橫向振幅限值按未加固前的橋墩狀況計(jì)算得出。

表1 橋跨體系橫向振動(dòng)評(píng)價(jià)參數(shù)［3］

試驗(yàn)A與試驗(yàn)B實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)列車作用下，韓村大橋4#梁體跨中橫向振幅、3#墩與4#墩墩頂橫向振幅實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值匯總見表2。試驗(yàn)A、試驗(yàn)B實(shí)測(cè)4#梁體跨中橫向振幅與行車速度關(guān)系見圖4。

表2 橋梁橫向振幅實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值mm

圖4 不同列車作用下4#梁跨中橫向振幅與列車速度關(guān)系

與試驗(yàn)A相比，試驗(yàn)B不同列車下部分橋梁橫向振幅最大值(如4#梁體在C64作用下的橫向振幅最大值)反而有所增加，這是因?yàn)槭茉囼?yàn)編組列車狀態(tài)、測(cè)試條件等限制，橋梁橫向振幅有一定的離散性，采用橋梁振幅最大值無(wú)法評(píng)估加固效果。

從試驗(yàn)A與試驗(yàn)B橋梁橫向振幅的實(shí)測(cè)平均值來(lái)看，橋梁加固后，梁體橫向振幅與橋墩墩頂橫向振幅均有所降低，且加固后橋墩墩頂橫向振幅遠(yuǎn)小于未加固前，加固效果明顯。韓村大橋第2次加固并未對(duì)橋梁梁體進(jìn)行橫向加固，但實(shí)測(cè)橋梁橫向振幅平均值卻有所降低，說(shuō)明橋梁下部結(jié)構(gòu)的加固對(duì)降低橋梁梁體橫向動(dòng)力響應(yīng)也有效。這與國(guó)內(nèi)外大量的車橋耦合分析結(jié)果一致［6-8］。

試驗(yàn)A、試驗(yàn)B測(cè)試列車作用下，韓村大橋下行線4#梁體活動(dòng)支座橫向位移最大值分別為0.09，0.07 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值(2 mm);4#梁梁體橫向加速度分別為0.68，0.89 m/s2，均滿足規(guī)范要求。這與梁體橫向振幅分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

對(duì)朔黃鐵路韓村大橋橋墩第2次加固前后的動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果分析表明:單圓柱橋墩加固采用上下行橋墩橫連和加樁基礎(chǔ)加固，橋墩動(dòng)力性能明顯得到改善，橋梁梁體橫向振動(dòng)有所降低，所有實(shí)測(cè)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，加固效果明顯。

［1］薛繼連.朔黃重載鐵路輪軌關(guān)系［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2013.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］120號(hào)鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［3］石家莊鐵道學(xué)院工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)中心.朔黃鐵路韓村大橋(166#橋)檢驗(yàn)報(bào)告［R］.石家莊:石家莊鐵道學(xué)院，2010.

［4］北京交通大學(xué).朔黃鐵路韓村大橋(166#橋)技術(shù)狀態(tài)檢定試驗(yàn)報(bào)告［R］.北京:北京交通大學(xué)，2014.

［5］日本鐵道綜合技術(shù)研究所.日本鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和解釋——混凝土結(jié)構(gòu)［Z］.日本鐵道綜合技術(shù)研究所，2004.

［6］張楠，夏禾，郭薇薇.基于輪軌線性相互作用假定的車橋相互作用理論及應(yīng)用［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2010，32(2):66-71.

［7］LIQi，XUYoulin，WUDingjun，etal.Computer-aided Nonlinear Vehicle-bridge Interaction Analysis［J］.Journal of Vibration and Control，2010，16(2):1791-1816.

［8］夏禾，張楠.車輛與結(jié)構(gòu)相互作用［M］.2版.北京:科學(xué)出版社，2004.

(責(zé)任審編李付軍)

U445.7+2;U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.02

1003-1995(2015)02-0005-03

2014-07-20;

2014-09-10

王定舉(1971—)，男，四川南部縣人，高級(jí)工程師。