新菏線跨京廣鐵路特大橋抑振加固實(shí)踐

羅錦章

(鄭州鐵路局 工務(wù)檢測(cè)所，鄭州 450052)

1 橋梁及病害概況

1.1 橋梁概況

新菏上行線K3+855跨京廣鐵路特大橋，位于新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)—新鄉(xiāng)東站區(qū)間，全長3 016.1 m。上部結(jié)構(gòu)由326孔8 m鋼筋混凝土梁，9孔16 m先張預(yù)應(yīng)力低高度混凝土梁，1孔24 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁及1孔32 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁(共計(jì)337孔)組成。全橋336個(gè)橋墩均為雙柱式鋼筋混凝土橋墩，墩高5.1～8.1 m。橋墩基礎(chǔ)中明挖基礎(chǔ)254個(gè)，鉆孔樁基礎(chǔ)82個(gè)。橋上為無縫線路，橋西段525 m為半徑800 m的曲線，其余為直線。橋址屬黃河沖積平原，地表以下30 m內(nèi)分布粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂及粉質(zhì)黏土。

1.2 病害概況

2009年5月，設(shè)備管理單位發(fā)現(xiàn)車載添乘儀在橋梁上多次出現(xiàn)超限報(bào)警，且列車通過時(shí)人體可感橋梁、橋墩明顯的晃動(dòng)。設(shè)備管理單位及橋梁檢定單位對(duì)該橋進(jìn)行了病害普查及檢定試驗(yàn)。

1)實(shí)測(cè)梁跨中橫向振幅超出《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中通常值以及行車安全限值，最大振幅值達(dá)8.49 mm，超出行車安全限值(0.89 mm)854%［1-2］。

2)實(shí)測(cè)256～261號(hào)橋墩墩頂橫向振幅較大，分別為 7.05 mm，7.96 mm，6.27 mm，4.51 mm，3.67 mm 和4.22 mm;全部21個(gè)測(cè)次的橫向振幅的平均值分別為4.85 mm，5.60 mm，5.21 mm，3.59 mm，2.98 mm，2.64 mm。

3)實(shí)測(cè)256～261號(hào)橋墩自振頻率在1.81～2.00 Hz之間，各墩自振頻率見表1。

表1 橋墩實(shí)測(cè)自振頻率 Hz

4)60%的橋墩(201個(gè))墩柱在距基礎(chǔ)頂面2 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了0.1～0.5 mm的水平環(huán)向裂縫。

2 病害原因分析

2.1 橋梁檢定結(jié)果分析

1)墩頂橫向振幅達(dá)7.96 mm，雖然《鐵路橋梁檢定規(guī)范》對(duì)雙柱橋墩墩頂最大振幅沒有規(guī)定，但該橋墩頂最大振幅已是相似外觀尺寸橋墩通常值(0.39 mm)［1］的 20 倍。

2)結(jié)構(gòu)自振頻率是反映結(jié)構(gòu)剛度的特征值。現(xiàn)行規(guī)范對(duì)雙柱橋墩的自振頻率沒有明確規(guī)定，參考《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中實(shí)體中高墩自振頻率的計(jì)算公式

式中 f——自振頻率(Hz);

α3——地基特征系數(shù)，取 0.8;

B——橋墩的平均寬度(m)，根據(jù)257號(hào)墩的實(shí)際尺寸，取2.3 m(見圖1);

H1——墩高(m)，根據(jù)257號(hào)墩的實(shí)際尺寸，取6.62 m。

計(jì)算得257號(hào)墩的最小自振頻率為4.40 Hz。

可見257號(hào)墩的實(shí)測(cè)自振頻率遠(yuǎn)小于相似橋墩自振頻率通常值。在其他條件相同的情況下，自振頻率小的橋墩其墩頂必然會(huì)有比較大的振幅。

2.2 理論分析

圖1 雙柱墩輪廓示意(單位:cm)

由于實(shí)測(cè)橋墩自振頻率遠(yuǎn)小于類似橋墩自振頻率通常值，有必要對(duì)橋墩自振頻率進(jìn)行計(jì)算，分析理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系，以便制定加固方案。

對(duì)雙柱墩自振頻率的計(jì)算采用有限元計(jì)算方法。按兩種計(jì)算假設(shè)考慮:①將墩柱基礎(chǔ)視為與地基固結(jié)，不考慮地基壓縮對(duì)橋墩自振的影響;②將基礎(chǔ)視為彈性地基梁，考慮地基彈性壓縮對(duì)橋墩自振的影響。

由于只分析橋墩的橫向振動(dòng)，故將橋墩簡化為平面剛架，用 BEAM3二維梁單位模擬墩柱、蓋梁及基礎(chǔ)。

用MASS21質(zhì)量單元模擬上部結(jié)構(gòu)作用在墩頂?shù)馁|(zhì)量，每孔梁的質(zhì)量按照45 t(8 m鋼筋混凝土梁)計(jì)，橋上線路及附屬設(shè)施的質(zhì)量按3.5 t/m計(jì)。

用COMBIN14彈簧單元模擬彈性地基。彈性地基按照文克爾假設(shè)的分析方法［3］進(jìn)行計(jì)算，即

式中 P——地基單位面積壓力;

k0——地基系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料［4］并參照文獻(xiàn)［3］取1.5×104kN/m3;

y——地基沉陷量。

地基彈簧單元的彈性系數(shù)按下式計(jì)算

式中 k——彈簧單元的彈性系數(shù);

A——彈簧的作用面積(根據(jù)基礎(chǔ)單元的大小計(jì)算)。

以257號(hào)墩為例，利用有限元分析軟件計(jì)算得兩種計(jì)算假設(shè)的振動(dòng)模態(tài)如圖2。

圖2 橋墩一階(橫向振動(dòng))振動(dòng)模態(tài)

計(jì)算得橋墩一階振動(dòng)(橫向振動(dòng))頻率見表2。

表2 橋墩加固前自振頻率計(jì)算值 Hz

與實(shí)測(cè)橋墩自振頻率比較表明，按彈性地基考慮計(jì)算所得的自振頻率與實(shí)測(cè)值接近，而把橋墩看成與地基固結(jié)計(jì)算所得的自振頻率與實(shí)測(cè)值相差很大，不能反映橋墩的真實(shí)自振特性?？梢?，修建在軟弱地基上的橋墩，地基對(duì)橋墩整體剛度的影響是比較大的。

通過以上分析可以認(rèn)為該橋異常晃動(dòng)主要是由以下幾方面原因引起的:①雙柱墩截面較小、基礎(chǔ)埋深淺整體剛度弱;②橋墩基底為粉砂類土，地基承載力低，雖然建橋時(shí)進(jìn)行了強(qiáng)夯處理，但處理深度較?。?］，加之通過總重的逐年增加，在列車活載的反復(fù)振動(dòng)作用下，地基飽和砂土孔隙水的存在，土體有效壓力難以提高，地基彈性壓縮大;③列車長期沖擊振動(dòng)導(dǎo)致墩柱產(chǎn)生水平裂縫，更加削弱墩柱的整體剛度。

3 加固方案

3.1 方案比選

1)加固雙柱橋墩墩身方案。在既有墩柱外側(cè)包箍混凝土，將雙柱橋墩改造為實(shí)體橋墩。

2)加固基礎(chǔ)方案。采用長10 m的旋噴樁對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固，并對(duì)既有擴(kuò)大基礎(chǔ)按照構(gòu)造要求向外擴(kuò)大50 cm。旋噴樁對(duì)地基的加固可以認(rèn)為是對(duì)地基的置換，加固后地基系數(shù)取10×104kN/m3。

3)綜合采用以上兩種加固方案。同時(shí)采用以上兩種既加固墩身又加固基礎(chǔ)的方案進(jìn)行加固。

按照以上三種加固方案對(duì)墩身自振頻率分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法與2.2條相同。計(jì)算自振頻率與加固前自振頻率對(duì)比見表3。

表3 加固前后自振頻率計(jì)算比較 Hz

由表3可以看出，單純加固墩身或基礎(chǔ)，橋墩自振頻率雖有所提高，但提高幅度不大，不能滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求;采用方案三加固后，橋墩自振頻率提高很大，是加固前的2.7倍，且能夠滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求。

3.2 方案選定

根據(jù)以上對(duì)各種方案的比較，擬在不中斷列車運(yùn)營的條件下，通過加大雙柱橋墩截面尺寸、提高地基承載力等措施提高橋墩的整體剛度，改善梁體的約束條件，最終達(dá)到提高橋梁整體剛度的目的［5］。

具體實(shí)施方案如下:

1)在既有雙柱墩外側(cè)包箍厚25 cm混凝土，改造雙柱墩為實(shí)體橋墩，見圖3。

2)沿?cái)U(kuò)大基礎(chǔ)外沿施作一圈旋噴樁，旋噴樁樁長為10 m，基礎(chǔ)同時(shí)向外擴(kuò)大50 cm，見圖4。

圖3 墩身加固示意(單位:cm)

圖4 基礎(chǔ)加固示意(單位:cm)

3)更換剪切變形嚴(yán)重的橡膠支座;

4)增設(shè)橡膠支座梁端限位裝置。

4 加固效果

該橋按上述方案加固后，橋檢單位對(duì)該橋的振動(dòng)情況進(jìn)行了檢測(cè)，這次共檢測(cè)橋墩44個(gè)，梁跨9孔，其中254～260號(hào)橋墩墩頂最大振幅及自振頻率見表4。

表4 加固后實(shí)測(cè)墩頂振動(dòng)

對(duì)比加固前后實(shí)測(cè)資料，加固后墩頂最大振幅約為加固前的十分之一，并且大振幅出現(xiàn)的頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于加固之前;橋墩自振頻率也由1.8 Hz提高到5.0 Hz，并與計(jì)算結(jié)果相吻合。檢測(cè)結(jié)果表明加固思路正確，施工質(zhì)量良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)語

在分析橋墩的自振頻率時(shí)，如果擴(kuò)大基礎(chǔ)下為承載力較低的非巖石類地基，按彈性地基進(jìn)行分析，能夠取得與實(shí)測(cè)值較為一致的結(jié)果。橋梁抑振加固時(shí)應(yīng)綜合考慮梁體、墩身以及地基的相互作用，特別是坐落于軟弱地基上的擴(kuò)大基礎(chǔ)，地基對(duì)橋梁的整體剛度的影響是明顯的，對(duì)地基的加固不僅是為了提高其承載能力，也是提高其剛度的需要。

［1］魏樹林，許光宏，羅錦章.新菏線跨京廣特大橋振動(dòng)異常的檢定［J］.鐵道建筑，2010(4):31-34.

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

［3］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.橋涵地基和基礎(chǔ)［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［4］李俊，強(qiáng)士中，李小珍.地基系數(shù)的比例系數(shù) m的確定［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(11):83-85.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.