某重載鐵路特大橋雙柱式橋墩加固效果試驗(yàn)研究

張 繼 恩

(中國神華神朔鐵路分公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

二十世紀(jì)七八十年代，輕型橋墩因?yàn)槠渫庑屋p盈美觀、可減輕地基負(fù)荷以及施工速度快等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛推廣和應(yīng)用，我國許多鐵路橋梁都采用了輕型橋墩。由于當(dāng)時(shí)列車運(yùn)行速度低、運(yùn)量小，橋梁的動力響應(yīng)不大，梁與墩橫向剛度不匹配的矛盾未顯現(xiàn)出來。為提高鐵路運(yùn)輸效率，我國大力發(fā)展重載鐵路運(yùn)輸，增加軸重，采用長編組，從而大大增加載重量，實(shí)現(xiàn)超大運(yùn)量之目的。隨著列車軸重及運(yùn)量增加，既有線的部分輕型橋墩出現(xiàn)橫向振幅超限、橫向自振頻率偏小的現(xiàn)象，束縛了線路運(yùn)輸能力的提高[1]。

重載運(yùn)輸已成為國際公認(rèn)的鐵路貨運(yùn)發(fā)展方向，但既有鐵路設(shè)計(jì)、施工時(shí)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與當(dāng)前的重載運(yùn)輸要求已不適應(yīng)，所以如何通過加固設(shè)計(jì)以有效的提高既有鐵路雙柱式橋墩的橫向剛度，是目前急需研究和解決的問題。

增加軸重并采用長編組后，作為輕型橋墩的雙柱式橋墩，其橫向抗彎剛度更顯不足，這就要求對雙柱式橋墩進(jìn)行加固。因此，如何對加固效果進(jìn)行運(yùn)營性能試驗(yàn)及狀態(tài)評判，對確保重載鐵路運(yùn)輸安全有著重要的意義。

1 雙柱式橋墩運(yùn)營性能評判依據(jù)的確定

我國于1978年根據(jù)當(dāng)時(shí)的鐵路運(yùn)行情況和橋梁狀況制定了《鐵路橋梁檢定規(guī)范》，該規(guī)范中關(guān)于橋墩墩頂橫向最大振幅和橫向自振頻率的參考限值。2004年，原鐵道部基于多年提速試驗(yàn)的數(shù)據(jù)積累及科學(xué)分析研究，頒布了新的《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[2]。相比于1978年舊規(guī)范，新規(guī)范針對基礎(chǔ)與地基土的類型進(jìn)行了更詳細(xì)的分類，根據(jù)墩身構(gòu)成、墩身尺寸、地基與地基土類型以及列車速度，橋梁墩頂橫向振幅和橫向自振頻率限值計(jì)算也有更詳細(xì)的規(guī)定。但是，無論是舊規(guī)范還是新規(guī)范，都未見對雙柱式橋墩進(jìn)行相關(guān)規(guī)定。

針對上述情況，該特大橋的跨中橫向振幅依據(jù)文獻(xiàn)[2]之標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評判，自振頻率和墩頂橫向振幅依據(jù)文獻(xiàn)[4]中的參考限值進(jìn)行評判。

2 工程概況與加固方案的確定

2.1 工程概況

某重載鐵路擬開行30 t軸重列車，其中某特大橋?yàn)榭缭胶恿鳂蛄海摌蚬?1孔，上部橋跨結(jié)構(gòu)均為32 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)為雙線雙圓柱墩，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。加固前橋墩及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)立面如圖1所示。在日常養(yǎng)護(hù)檢查過程中發(fā)現(xiàn)該橋橫向晃動較為嚴(yán)重，已經(jīng)影響到列車的安全正常運(yùn)行，因此有必要進(jìn)行加固。加固方案初步擬定為采用鋼結(jié)構(gòu)剪力撐加固或外包混凝土加固(高度分別為3 m，6 m，8 m，10 m和13 m)。

2.2 加固方案比選

根據(jù)該鐵路上行重車、下行輕車的運(yùn)營模式，結(jié)合開行30 t軸重的要求，橋梁結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性評估和加固設(shè)計(jì)采用重輕兩線不同標(biāo)準(zhǔn)，重車線采用ZH活載圖示，按Z=1.2取值，下行輕車線荷載按既有中—活載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取用。

采用有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil分別建立橋墩加固前、采用鋼結(jié)構(gòu)剪力撐加固以及外包混凝土加固的整孔橋梁計(jì)算模型，計(jì)算C80車輛以一定速度通過橋跨結(jié)構(gòu)時(shí)，橋跨跨中橫向振幅、墩頂橫向振幅、橋墩橫向自振頻率等橋梁結(jié)構(gòu)振動特性參數(shù)，對比分析不同狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)振動特性理論計(jì)算值，可得到如下數(shù)據(jù)分析結(jié)果：

1)加固前，橋墩跨中橫向振幅與文獻(xiàn)[2]中通常值較為接近，墩頂橫向振幅值超過文獻(xiàn)[4]相關(guān)限值，橋墩橫向自振頻率略大于文獻(xiàn)[4]相關(guān)限值，表明加固前橋梁整體橫向剛度較弱，橋墩橫向剛度不滿足使用要求。

2)若采用鋼結(jié)構(gòu)剪力撐加固方法進(jìn)行加固，跨中橫向振幅減小0.63 mm，跨中橫向振幅抑制比達(dá)到25.51%；橋墩墩頂橫向振幅減小0.38 mm，墩頂橫向振幅抑制比達(dá)到28.15%；橋墩橫向自振頻率提高19.75%，加固后跨中橫向振幅滿足文獻(xiàn)[2]要求，墩頂橫向振幅及橋墩橫向自振頻率均滿足文獻(xiàn)[4]相關(guān)限值要求。

3)若采用外包混凝土加固方法進(jìn)行加固，加固高度不同時(shí)，隨著橋墩加固高度的增加，跨中橫向振幅、墩頂橫向振幅抑制比增加，但當(dāng)加固高度達(dá)到8 m以后隨著加固高度增加振幅抑制比增大趨勢變緩，綜合考慮加固引起基底應(yīng)力增長情況，因此可得出結(jié)論：在加固高度為8 m時(shí)，加固方法效果最優(yōu)。

4)對比鋼結(jié)構(gòu)剪力撐加固方法的計(jì)算數(shù)據(jù)和外包混凝土加固方法的計(jì)算數(shù)據(jù)(按該方法中的最優(yōu)加高高度8 m計(jì)算數(shù)據(jù)為比較值)，采用加固高度為8 m的外包混凝土加固方法效果更優(yōu)。

2.3 加固方案的確定

經(jīng)過方案的比選，進(jìn)一步計(jì)算確定了“1號橋墩加固高度為9 m，其余橋墩加固高度均為8 m”的加固方案。加固后橋墩及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)立面如圖2所示。

為了確保加固效果，在加固施工過程中進(jìn)行了十分嚴(yán)格的質(zhì)量控制，要求加固區(qū)混凝土均采用C30混凝土，鋼筋采用HRB400鋼筋，其性能要求必須滿足現(xiàn)行《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》之規(guī)定，加固過程中采用的植筋膠必須滿足相關(guān)規(guī)范中對該類工程用膠的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；杜絕使用不滿足規(guī)范要求的植筋膠。

3 加固前橋墩運(yùn)營性能試驗(yàn)

3.1 運(yùn)營性能試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

做好試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，是決定運(yùn)營性能試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。為了從總體上掌握該特大橋的運(yùn)用狀態(tài)，首先收集了橋梁資料，包括橋梁勘察設(shè)計(jì)文件、施工過程資料、竣工文件、養(yǎng)護(hù)維修歷史數(shù)據(jù)資料及以往檢測資料等。為了更好地進(jìn)行試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)、測點(diǎn)布置與測試數(shù)據(jù)對比，還全面收集整理了該特大橋上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的基本幾何尺寸、標(biāo)高等數(shù)據(jù)。其次，為了做好試驗(yàn)方案編制工作，并做好現(xiàn)場試驗(yàn)配合工作，前往該特大橋現(xiàn)場對其進(jìn)行了現(xiàn)場勘查，掌握了橋梁目前的實(shí)際狀況，查明了橋上和兩端線路技術(shù)狀況、橋跨所處地的水文氣象條件、現(xiàn)場試驗(yàn)條件。最后是做好試驗(yàn)方案的編制工作，選定合適的儀器設(shè)備，做好現(xiàn)場人員安排及實(shí)施計(jì)劃，以確保試驗(yàn)工作能夠安全順利開展。

3.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)橋梁現(xiàn)場情況，選取了該特大橋第2孔梁體及第1號～第4號墩為測試對象，對加固前橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)營性能試驗(yàn)，試驗(yàn)中測點(diǎn)布置縱向圖如圖3所示，試驗(yàn)測點(diǎn)橫截面布置圖如圖4所示。

3.3 測試工況

目前該鐵路運(yùn)營的C64車輛作為我國最早運(yùn)營重載敞篷列車的主要車型，主要運(yùn)輸煤炭、鐵礦等大宗貨物。C70型通用敞車是我國為適應(yīng)重載運(yùn)輸?shù)亩喾N要求而設(shè)計(jì)制造的多用途敞車，該車為大宗貨物運(yùn)輸主要車型。C80型重載車輛為我國2萬t鐵路重載運(yùn)輸?shù)闹髁囆?。本次運(yùn)營性能試驗(yàn)主要測試工況為通過該鐵路日常運(yùn)營車輛的列車，即C64,C70,C80。

3.4 測試結(jié)果

1)跨中橫向振幅分析。

按照文獻(xiàn)[2]中橋跨橫向剛度相關(guān)限值要求，計(jì)算確定該橋第2孔跨中橫向振幅安全限值[Amax]5%=3.56 mm，貨列重車實(shí)測跨中橫向振幅通常值(Amax)5%=2.54 mm。各工況實(shí)測跨中橫向振幅最大值統(tǒng)計(jì)表如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可知，在重載列車作用下，實(shí)測加固前橋跨跨中橫向振幅最大值為2.38 mm，與文獻(xiàn)[2]規(guī)定通常值2.54 mm較為接近，表明橋跨跨中橫向振幅較大，對行車安全有一定影響。

表1 跨中橫向振幅實(shí)測值 mm

2)墩頂橫向振幅分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中對雙柱式橋墩墩頂橫向振幅的通常值的限值的計(jì)算公式，計(jì)算確定該橋第1號～4號橋墩墩頂橫向振幅通常值。其中第1號～4號橋墩墩頂橫向振幅通常值分別為1.46 mm，1.22 mm，1.22 mm和1.22 mm。

表2 加固前實(shí)測墩頂橫向振幅最大值 mm

加固前實(shí)測列車荷載作用下各橋墩墩頂橫向振幅實(shí)測最大值統(tǒng)計(jì)如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)可知，運(yùn)營重載列車荷載作用下，實(shí)測加固前1號墩頂橫向振幅最大值為1.42 mm，接近文獻(xiàn)[2]中通常值1.46 mm；2號墩頂橫向振幅最大值為1.25 mm，超過通常值1.22 mm；3號墩頂橫向振幅最大值為1.27 mm，超過通常值1.22 mm；4號墩頂橫向振幅最大值為1.29 mm，超過文獻(xiàn)[2]規(guī)定通常值1.22 mm，這些實(shí)測數(shù)據(jù)充分表明各墩墩頂橫向振幅偏大，各橋墩橫向剛度已經(jīng)無法滿足重載運(yùn)輸需要。

表3 加固前橫向自振頻率實(shí)測值 Hz

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中關(guān)于雙柱式橋墩橫向自振頻率通常值有關(guān)規(guī)定，第1號墩橫向自振頻率通常值為2.13 Hz，第2號～4號墩橫向自振頻率通常值為2.36 Hz。采用余振法對加固前橋墩橫向自振頻率進(jìn)行分析，實(shí)測值統(tǒng)計(jì)如表3所示。由表3中數(shù)據(jù)可知，實(shí)測加固前橋墩橫向自振頻率1號墩為2.15 Hz，與文獻(xiàn)[2]規(guī)定通常值2.13 Hz較為接近，2號墩為2.28 Hz，3號墩為2.25 Hz，4號墩為2.25 Hz，均小于按研究報(bào)告計(jì)算的通常值2.36 Hz，這些實(shí)測數(shù)據(jù)充分表明該特大橋的雙柱式橋墩橫向剛度已經(jīng)無法滿足重載運(yùn)輸需要。

4 加固后橋墩運(yùn)營性能試驗(yàn)

加固后對橋跨及橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)營性能試驗(yàn)，實(shí)測測點(diǎn)布置及技術(shù)要求與橋墩加固前運(yùn)營性能試驗(yàn)相同，主要測試第2孔橋跨結(jié)構(gòu)及1號墩～4號墩振動參數(shù)。重載列車荷載作用下，該特大橋雙柱式橋墩加固前后第2孔跨中橫向振幅實(shí)測值隨速度變化散點(diǎn)如圖5所示。從圖5可以十分明顯地看出，在不同的速度條件下，加固后的跨中橫向振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加固前的跨中橫向振幅，從總體直觀看，加固效果較為明顯。

運(yùn)營重載列車作用下，實(shí)測加固后第2孔跨中橫向振幅最大值為1.87 mm，小于文獻(xiàn)[2]規(guī)定通常值2.54 mm，滿足規(guī)范要求。采用外包混凝土加固后橋墩結(jié)構(gòu)為下部圓端型板式墩上部為雙柱式結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行限值計(jì)算時(shí)，為偏安全考慮，采用文獻(xiàn)[2]中限值要求計(jì)算橋墩墩頂橫向振幅的通常值，1號～4號墩墩頂橫向振幅通常值分別為0.74 mm,0.70 mm,0.70 mm和0.70 mm。

重載列車荷載作用下，加固后墩頂橫向振幅最大值1號墩為0.58 mm,2號墩為0.62 mm,3號墩為0.52 mm,4號墩為0.56 mm，均滿足文獻(xiàn)[2]通常值要求。實(shí)測加固后1號墩橫向自振頻率為4.21 Hz,2號墩橫向自振頻率為4.35 Hz,3號墩橫向自振頻率為4.34 Hz,4號墩橫向自振頻率為4.34 Hz，均滿足文獻(xiàn)[2]限值要求。

通過對比分析加固前后橋跨跨中橫向振幅、墩頂橫向振幅、橋墩橫向自振頻率等振動參數(shù)，加固前橋墩橫向剛度較弱，且部分橋墩墩頂橫向振幅及橫向自振頻率不滿足限值要求。采取外包混凝土加固方法，將雙線雙柱式橋墩部分加固為圓端型板式墩，加固后橋墩墩頂橫向振幅及橫向自振頻率均滿足要求，加固效果十分顯著。

5 加固前后測試結(jié)果對比分析

表4 加固前后第2孔跨中橫向振幅統(tǒng)計(jì)

加固前后實(shí)測值統(tǒng)計(jì)表如表4所示。由圖5和表4中數(shù)據(jù)可知，實(shí)測加固前橋跨跨中橫向振幅最大值為2.38 mm，與文獻(xiàn)[2]規(guī)定通常值2.54 mm較為接近，加固后橋跨跨中橫向振幅最大值為1.87 mm，與加固前相比，運(yùn)營重載列車作用下實(shí)測跨中橫向振幅抑制比介于21.43%～31.15%之間，加固效果明顯。

重載列車荷載作用下，該特大橋雙柱式橋墩加固前后第1號～4號橋墩墩頂橫向振幅對比見圖6～圖9。從圖6～圖9可以十分明顯地看出，在不同的速度條件下，加固后的各墩墩頂橫向振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加固前的墩頂橫向振幅，從總體直觀看，加固效果較為明顯。

加固前后1號～4號墩墩頂橫向振幅實(shí)測值統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 加固前后橋墩墩頂橫向振幅統(tǒng)計(jì)(一)

加固后墩頂橫向振幅最大值1號墩為0.58 mm,2號墩為0.62 mm,3號墩為0.52 mm,4號墩為0.56 mm，均滿足文獻(xiàn)[2]通常值要求，與加固前相比墩頂橫向振幅抑制比達(dá)50.40%～59.15%，加固效果明顯。

重載列車荷載作用下，加固前后第1號～4號墩橋墩橫向自振頻率實(shí)測值統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表6 加固前后橋墩墩頂橫向振幅統(tǒng)計(jì)(二)

實(shí)測加固后第1號墩橫向自振頻率為4.21 Hz、第2號墩橫向自振頻率為4.35 Hz、第3號墩橫向自振頻率為4.34 Hz、第4號墩橫向自振頻率為4.34 Hz。均大于文獻(xiàn)[2]限值，橫向剛度滿足要求，與加固前相比，加固后第1號～4號墩橫向自振頻率提高近1倍，加固效果明顯。

6 結(jié)語

通過對該特大橋加固前和加固后進(jìn)行運(yùn)營性能試驗(yàn)，分析各實(shí)測數(shù)據(jù)，可得出如下測試結(jié)論：

1)實(shí)測跨中橫向振幅抑制比介于21.43%～45.79%之間；2)墩頂橫向振幅抑制比介于50.40%～59.15%；3)加固后1號～4號墩橫向自振頻率提高近1倍。這就充分說明，前述確定的“第1號橋墩加固高度為9 m，第2號墩～4號橋墩加固高度均為8 m”的加固方案，加固效果十分明顯，完全符合相關(guān)規(guī)范之規(guī)定，能滿足目前重載運(yùn)輸需要。

[1] 朱利明，劉 華.鐵路輕型雙柱式橋墩改造研究[J].鐵道建筑，2009(4):19-24.

[2] 鐵運(yùn)函[2004]120號,鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].

[3] 李運(yùn)生，閻貴平，鐘鐵毅.鐵路實(shí)體橋墩橫向振動規(guī)律[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，33(1):77-90.

[4] 李運(yùn)生.鐵路橋墩橫向振動理論和實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2004.