大秦線橋梁圓柱形高墩加固技術(shù)初探

何海宏

大秦線橋梁圓柱形高墩加固技術(shù)初探

何海宏

以大秦線灤河特大橋加固為例,簡(jiǎn)要介紹采用連接兩個(gè)橋墩托盤和墩帽的方法,使其成為框架結(jié)構(gòu),指出該加固技術(shù)既可有效增加橋墩的橫向剛度,又提高了橋墩的基礎(chǔ)穩(wěn)定性,應(yīng)用前景廣泛。

高墩,加固方案,施工方法

1 存在的問(wèn)題

大秦線是我國(guó)第一條重載鐵路和雙線電氣化運(yùn)煤專用線,全長(zhǎng) 653.02 km,開行 2萬(wàn)t長(zhǎng)大重載列車后,列車軸重提高到 25 t,列車編組數(shù)量增加到 240輛,主要車型逐步過(guò)渡為 C80。其中橋梁共 375座。大秦線橋墩以圓端形、圓柱形、雙柱形為主,最大墩高 50m?；A(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基或沉井。本次試驗(yàn)在灤河特大橋共測(cè)試了 28個(gè)橋墩,其中下行線(重車線)、上行線(輕車線)分別測(cè)試了 14個(gè)橋墩,墩高均在 17.6m～34.1m范圍內(nèi),測(cè)試內(nèi)容主要為墩頂橫向振幅和橋墩橫向自振頻率,同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)的影響也進(jìn)行了測(cè)試。

從下行線(重車線)橋墩實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看,墩高在17.6m～21.6m之間的橋墩墩頂橫向振幅普遍超過(guò)相應(yīng)《橋檢規(guī)》通常值的要求,最大超出1.47mm,是相應(yīng)通常值的 2.05倍;橋墩橫向自振頻率均不滿足《橋檢規(guī)》通常值的要求,說(shuō)明墩高在此范圍內(nèi)的橋墩的橫向動(dòng)力性能較差,不利于行車安全,墩高在 21.6m～24.6m之間的橋墩,墩頂橫向振幅有超過(guò)《橋檢規(guī)》通常值的現(xiàn)象,橋墩橫向自振頻率大部分也不能滿足《橋檢規(guī)》通常值的要求;墩全高在31.1m～34.1m之間的橋墩,墩頂橫向振幅均能滿足相應(yīng)《橋檢規(guī)》通常值的要求。從上行線(輕車線)橋墩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,墩高在 17.6m～21.6m之間的橋墩,墩頂橫向振幅也普遍超過(guò)相應(yīng)《橋檢規(guī)》通常值的要求,最大超出通常值達(dá) 1.13mm,是對(duì)應(yīng)《橋檢規(guī)》通常值 2.1倍,橋墩橫向自振頻率均不滿足《橋檢規(guī)》通常值的要求;墩高在 21.6m～24.6m之間的橋墩,墩頂橫向振幅有超過(guò)《橋檢規(guī)》通常值的現(xiàn)象,橋墩橫向自振頻率均不能滿足《橋檢規(guī)》通常值的要求;墩高在 31.1m～34.1m之間的橋墩,墩頂橫向振幅均能滿足相應(yīng)《橋檢規(guī)》通常值的要求。

從大秦線設(shè)備現(xiàn)狀和線橋動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果看,大秦線既有橋梁、橋墩設(shè)備還不能完全適應(yīng)重載的需要,長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)會(huì)導(dǎo)致橋梁的損傷甚至疲勞破壞,病害會(huì)呈逐步惡化趨勢(shì),影響重載列車的運(yùn)營(yíng)安全。

2 加固方案初探

結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果,圓形中高橋墩的加固設(shè)計(jì)和計(jì)算選用灤河特大橋的 15號(hào)～17號(hào)橋墩進(jìn)行,其中 15號(hào)橋墩為擴(kuò)大基礎(chǔ), 16號(hào)、17號(hào)橋墩為樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng) 8m～9m,橋墩結(jié)構(gòu)尺寸見表 1。加固的主要目的是增大圓形中高墩橋墩的橫向剛度,減小橫向振幅,大秦線為雙線鐵路,在加固方法上,根據(jù)橋墩位置的實(shí)際狀況,分兩個(gè)方面進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)及計(jì)算分析。

表1 橋墩結(jié)構(gòu)尺寸 m

對(duì)于上、下線并行,兩個(gè)橋墩比較靠近時(shí),主要采用連接兩個(gè)橋墩的托盤和墩帽方法,使其成為框架結(jié)構(gòu),既可有效增加橋墩的橫向剛度,同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)分開或連在一起的狀況也分別進(jìn)行了計(jì)算,該條件下共提出 4種方案,加固方案見圖 1。具體加固方案如下：

方案一：兩橋墩托盤和頂帽處自上向下連接 0.6m;

方案二：兩橋墩托盤和頂帽全部連接;

方案三：方案一+基礎(chǔ)連接;

方案四：方案二+基礎(chǔ)連接。

對(duì)于第一種情況：上、下線并行,兩個(gè)橋墩比較靠近時(shí),研究采用連接兩個(gè)橋墩的托盤和墩帽,使其成為框架結(jié)構(gòu)的加固方案,加固前以及1～4加固方案中,橋墩的橫向、縱向一階自振頻率計(jì)算結(jié)果見表 2。

通過(guò)對(duì)各方案計(jì)算結(jié)果的比較,考慮加固效果、施工條件及墩帽連接的完整性,選擇了加固方案二作為灤河特大橋 15號(hào) ～17號(hào)橋墩橫向加固的實(shí)施方案。墩帽全部連接加固后,橫向一階超過(guò)3.2Hz,橋墩橫向剛度提高較大,考慮墩身與托盤連接部位在橫向力作用下可能會(huì)產(chǎn)生的附加應(yīng)力,也進(jìn)行了相應(yīng)驗(yàn)算。按列車的最大橫向力,當(dāng)墩頂單側(cè)作用 10 t橫向力時(shí),加固部分的混凝土產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為0.221MPa,最大拉應(yīng)力0.275MPa;此時(shí),墩身與托盤連接部位橫橋向最大壓應(yīng)力 0.982 MPa,最大拉應(yīng)力0.137MPa,豎向最大壓應(yīng)力 2.32MPa,無(wú)拉應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明,在列車橫向力作用下對(duì)墩產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小。

表2 橋墩加固前后自振頻率計(jì)算結(jié)果 Hz

在墩帽上施加60 t預(yù)應(yīng)力時(shí),經(jīng)計(jì)算,墩身與托盤連接部位橫橋向最大壓應(yīng)力0.556MPa,最大拉應(yīng)力0.075MPa;豎向最大壓應(yīng)力1.50MPa,無(wú)拉應(yīng)力。

3 橋墩加固施工方法

3.1 加固施工工序

雙柱式橋墩墩帽橫向聯(lián)結(jié)的施工工序：

兩側(cè)墩帽相鄰部位各鑿掉 30 cm寬混凝土→墩帽斜面混凝土表面鑿毛→鉆錨固筋孔→埋設(shè)錨固筋→綁扎普通鋼筋→立?！鷻M向施加臨時(shí)預(yù)應(yīng)力→灌注混凝土→養(yǎng)護(hù)→拆?！炷帘砻嫱克B(yǎng)護(hù)劑(或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù))→拆除臨時(shí)預(yù)試應(yīng)力→新老混凝土接面處涂刷聚氨酯防水涂料。

加固結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),水平錨固鋼筋如與墩帽內(nèi)原鋼筋相鄰,應(yīng)焊接在一起。施工中應(yīng)確保混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求,應(yīng)設(shè)專人負(fù)責(zé)質(zhì)量檢查,并填寫相應(yīng)的質(zhì)量檢查表。

3.2 普通鋼筋加固

1)按圖紙要求確定水平錨固鋼筋的數(shù)量及位置,錨固φ16鋼筋的鉆孔直徑為 26mm,鉆孔深度不小于 20 cm。如果孔位遇到內(nèi)墩鋼筋,可適當(dāng)移動(dòng)位置。2)成孔后,孔眼必須用水清洗干凈,否則將影響鋼筋的錨固效果。3)新增橫向聯(lián)結(jié)與墩帽結(jié)合面應(yīng)鑿毛、清除浮漿,并清洗干凈,以增加新老混凝土之間的粘結(jié)。4)水平錨固鋼筋采用植筋膠錨固,植筋膠型號(hào)為 FH-E131型植筋膠,錨固工藝按產(chǎn)品使用要求進(jìn)行。5)橫向錨固鋼筋的搭接長(zhǎng)度不得小于 20倍鋼筋直徑,搭接位置不得在同一截面上,鋼筋綁扎

牢固。6)箍筋的尺寸和數(shù)量應(yīng)符合圖紙要求。

3.3 模板及其安裝

1)模板可用鋼材或木料制作。2)模板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,能安全可靠地承受新灌注混凝土的重力、側(cè)壓力、列車和附著式振動(dòng)器的振動(dòng)荷載。3)模板應(yīng)表面平整、接合嚴(yán)密、便于拆卸。4)模板表面應(yīng)涂脫模劑。5)模板應(yīng)依托在混凝土墩身上,以確保列車過(guò)橋時(shí)模板與墩帽相對(duì)位移。

3.4 混凝土原材料及成型

1)原材料選擇及成型。a.水泥應(yīng)選用符合GB 175-1999硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)中的 525號(hào)與普通硅酸鹽水泥,每批水泥必須有廠方提供的質(zhì)保單。b.混凝土拌合物的和易性以坍落度8 cm～10 cm為宜。c.混凝土28 d強(qiáng)度應(yīng)達(dá)設(shè)計(jì)要求。d.為保證新灌混凝土不出現(xiàn)收縮裂縫,拌制混凝土?xí)r,宜摻入膨脹劑,摻量由試驗(yàn)確定。

2)攪拌。a.混凝土拌合物可采用機(jī)械或人工攪拌的方式攪拌均勻,機(jī)械攪拌時(shí)間不得低于3 min。b.混凝土的每一組分必須采用計(jì)量合格的稱量工具準(zhǔn)確稱量,其稱量的允許誤差：水泥為±2%,砂子及石子為±3%,水及減水劑為±1%。

3)灌注。a.混凝土應(yīng)分層灌注,每層厚度不宜大于30 cm,宜用插入式振搗器振搗密實(shí)。b.每個(gè)墩帽橫向聯(lián)結(jié)的混凝土從加水?dāng)嚢杵?至灌注完畢不宜超過(guò) 2 h。c.在灌注混凝土的同時(shí),應(yīng)制作混凝土強(qiáng)度試塊,以提供 28 d齡期的強(qiáng)度。

4)拆模及檢驗(yàn)。a.在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)的 60%后方可拆去模板。b.若發(fā)現(xiàn)混凝土存在外觀缺陷時(shí),可采用混凝土或砂漿修補(bǔ)。c.如對(duì)混凝土質(zhì)量有異議時(shí),可采用混凝土強(qiáng)度無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)混凝土的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求,一旦發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不足,應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。d.拆模后,在混凝土表面涂刷一層養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù))。

3.5 防水層涂刷

新老混凝土接面處采取聚氨酯防水涂料進(jìn)行 3次涂刷,每次間隔時(shí)間不超過(guò) 1 h。防水層寬度應(yīng)在 15 cm左右。

4 加固后的效果及推廣前景

灤河特大橋下行線第 15號(hào),16號(hào),17號(hào)墩進(jìn)行了墩帽橫向連接加固后,橋墩橫向自振頻率在2.34 Hz～2.69 Hz,比加固前橋墩的橫向自振頻率提高約 60%～70%,增加幅度與理論計(jì)算值一致;加固后實(shí)測(cè)墩頂橫向振幅最大為1.81mm,加固后橋墩的墩頂橫向振幅普遍小于加固前墩頂?shù)臋M向振幅,減小幅度在 50%左右。加固后橋墩的橫向剛度得到明顯改善,橋墩的橫向自振頻率和墩頂橫向振幅均滿足《橋檢規(guī)》通常值的要求。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,加固效果顯著。同時(shí),此方法比常規(guī)的整體包箍橋墩的方法造價(jià)要低得多,只相當(dāng)于其造價(jià)的 30%,節(jié)約了成本,可全面在重載鐵路類似情況中推廣,前景廣泛。

[1] 鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.大秦線年運(yùn)量 2億噸條件下橋梁結(jié)構(gòu)加固和壽命評(píng)估試驗(yàn)研究[Z].

On exp loration for column type and high pier intensification technique along Datong-Qinhuangdao railway

HE Hai-hong

Taking the intensification of Luanhe super-large Bridge along Datong-Qinhuangdao railway as the examp le,the paper introduces the method of connecting the two pier tray and pier hat,points out the intensification technique is the frame structure,which can increase the horizontal stiffness of the pier,and imp rove the foundation stability of the pier,so it has extensive future.

high pier,intensification scheme,construction methods

U 445.72

B

1009-6825(2011)09-0180-02

2010-12-11

何海宏(1969-),男,工程師,太原鐵路局工務(wù)處,山西太原 030013