框格式橫系梁托換既有鐵路病害橋墩施工技術(shù)

文｜昆明鐵路局工務(wù)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(yù)應(yīng)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(chǔ)為1.5m樁基礎(chǔ)，橋梁全長L=211m，均為搖軸式支座，原設(shè)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(shè)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(shè)計在既有6號橋墩橫向增設(shè)門式剛架橋墩，墩底設(shè)置承臺和樁基礎(chǔ)，墩頂沿橋梁橫向既有頂帽及托盤外側(cè)設(shè)置兩道框格式預(yù)應(yīng)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(chǔ)。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(shè)計。框格式橫系梁高2.5m，底部與墩柱設(shè)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(shù)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(yù)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(shè)計標(biāo)高，用56C 工字鋼束縱橋支撐并與預(yù)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(shè)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(yīng)位置設(shè)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(yù)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(yù)埋20mm 厚鋼板，與工字鋼下翼緣焊接，用于澆注橋墩頂新設(shè)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(shè)計強度的75%后，恢復(fù)支座永久支撐24mT 梁，完成橋墩托換，設(shè)計強度的98%后恢復(fù)常速。一并拆除既有6號橋墩墩身、托盤及墩帽等構(gòu)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(fēng)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(yù)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(yù)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(yù)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(shè)，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(gòu)等，依據(jù)本設(shè)計施工圖，《簡明施工計算手冊》及各現(xiàn)行相關(guān)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(gòu)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(gòu)設(shè)計限值

由于本結(jié)構(gòu)為臨時工程，采用容許應(yīng)力法計算。

Q235鋼材允許應(yīng)力值：容許彎曲應(yīng)力：[σ]=170MPa；容許剪切應(yīng)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(gòu)對立柱進行承載力檢算。

4.6 牛腿預(yù)埋件檢算

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

根據(jù)模型計算，預(yù)埋件最大豎向剪力577kN，則最大彎矩115.4kNm，預(yù)埋件為彎剪預(yù)埋件，則預(yù)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(shè)計值，但不應(yīng)大于300MPa。

預(yù)埋件共設(shè)12根Φ28鋼筋，實際錨筋總截面積為7385mm2，故牛腿預(yù)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(gòu)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(shè)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(shè)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(gòu)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(gòu)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(fēng)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(yīng)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。