重載運(yùn)輸條件下雙線雙柱式橋墩橫向剛度加固方法

黃先國（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧　062350）

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重載運(yùn)輸條件下雙線雙柱式橋墩橫向剛度加固方法

黃先國
（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350）

摘要隨著重載列車軸重增大、編組增加，朔黃鐵路現(xiàn)役橋梁中部分雙線雙柱式橋墩出現(xiàn)墩頂橫向振幅偏大、橋墩橫向剛度偏弱的現(xiàn)象，影響行車安全。本文采用有限元分析結(jié)合現(xiàn)場振動(dòng)試驗(yàn)的方法，對朔黃鐵路一特大橋雙線雙柱式橋墩加固方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明:將雙線雙柱式輕型墩加固為圓端形板式墩，當(dāng)加固高度為墩高的60％時(shí)，墩頂橫向振幅抑制比達(dá)到45. 67％；當(dāng)加固高度超過墩高的60％后，隨著加固高度的增加，墩頂橫向振幅降低幅度不明顯。采用增大墩身截面積的方法加固雙線雙柱墩時(shí)，應(yīng)合理優(yōu)化加固高度。

關(guān)鍵詞重載鐵路；橋墩；橫向剛度；加固

雙線雙柱式橋墩是一種輕型橋墩，其外形輕盈美觀、圬工量少、自重輕，可減輕地基負(fù)荷，節(jié)省基礎(chǔ)工程，施工方便快捷［1］。但是該類橋墩縱橫向剛度差，在列車橫向作用較大時(shí)，易產(chǎn)生橫向振動(dòng)偏大的問題。隨著重載列車編組增加、軸重增大、運(yùn)營密度增大［2］，雙線雙柱式橋墩出現(xiàn)墩頂及跨中橫向振動(dòng)偏大的現(xiàn)象，對行車安全造成威脅。因此，本文研究在重載運(yùn)輸條件下雙線雙柱式橋墩的加固方法。

1　工程概況

1. 1橋梁概況

朔黃鐵路一特大橋全長700. 66 m，由21孔32 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支T梁組成。橋墩為雙線雙柱式輕型橋墩，墩身采用C20鋼筋混凝土。基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用C15鋼筋混凝土澆筑。日常巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分橋跨橫向振動(dòng)過大。為降低跨中及墩頂橫向振幅，增加橋梁的橫向剛度，保證行車安全，擬對橋墩及基礎(chǔ)進(jìn)行加固。為分析加固措施及加固效果，選取了該橋第2孔及1#～4#橋墩進(jìn)行振動(dòng)特性試驗(yàn)。

1. 2橋墩加固措施

加固前，橋墩為雙線雙柱墩，墩柱直徑為2. 2 m，墩柱中心距為4. 2 m，加固前橋墩及基礎(chǔ)立面見圖1（a）。為增加橋墩橫向剛度，擬采用圓端形板式墩的加固方法。橋墩加固部分圓端形截面長6. 8 m，圓端半圓直徑為2. 6 m，加固后橋墩及基礎(chǔ)立面見圖1（b）。

圖1　橋墩立面（單位：cm）

橋墩加固前應(yīng)先鑿除原墩身表面混凝土并探明鋼筋位置，然后植入錨固鋼筋。墩身新舊混凝土接觸面錨固鋼筋植入深度為20 cm，植筋過程應(yīng)避免損傷原橋墩主筋。植筋完成后綁扎加固區(qū)鋼筋，安裝模板，加固區(qū)采用C30混凝土澆筑。

2　有限元分析

2. 1模型的建立

為尋求合理的加固措施，選取2#橋墩為研究對象，建立包括上部結(jié)構(gòu)在內(nèi)的整體模型，進(jìn)行有限元分析計(jì)算。加固前該橋上部橋跨結(jié)構(gòu)為32 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，采用盆式橡膠支座，支座固定端設(shè)于黃驊港方向，2#橋墩為雙線雙柱墩，墩高為13 m，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。提出將雙柱式墩部分加固為圓端形板式墩，按照加固高度3，6，8，10，13 m（墩全高）分別建立不同加固高度的橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析模型。計(jì)算C80重載列車以70 km/h的速度通過橋跨結(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振動(dòng)特性，分析各振動(dòng)特性隨加固高度的變化情況，通過對比分析確定合理的加固高度。

為了更加準(zhǔn)確地模擬橋墩振動(dòng)特性，采用實(shí)體單元模擬橋墩和基礎(chǔ)，采用梁單元模擬上部T梁，采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬基礎(chǔ)的約束情況。彈性支撐剛度由地基實(shí)際情況及分析模型中基礎(chǔ)的單元大小確定。梁單元與實(shí)體單元之間采用彈性連接進(jìn)行模擬，彈性連接剛度根據(jù)支座特性進(jìn)行設(shè)置。

模型中以節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載模擬車輛荷載，所施加的節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載包括豎向荷載F和橫向搖擺力Fs，F(xiàn)s的取值為F的1 /3［3］，列車節(jié)點(diǎn)移動(dòng)荷載如圖2所示。C80重載列車軸重F為250 kN，F(xiàn)s為83. 3 kN，l1為1. 83 m，l2為6. 37 m。

圖2　列車移動(dòng)節(jié)點(diǎn)荷載

結(jié)構(gòu)時(shí)程分析采用振型疊加法，其基本思想是利用結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的振型，將結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程組轉(zhuǎn)化為對廣義坐標(biāo)的非線性耦合方程，然后單獨(dú)求解各方程，最后求得各振型的響應(yīng)后再進(jìn)行線性組合以得到結(jié)構(gòu)總體響應(yīng)［4］。

2. 2加固效果分析

通過有限元分析可知，加固前后橋跨結(jié)構(gòu)振型一致，一階振型為縱向振動(dòng)，三階振型為橫向振動(dòng)。加固前后橋梁跨中及墩頂橫向振幅計(jì)算值見表1?！惰F路橋梁檢定規(guī)范》［5］中關(guān)于橋墩墩頂橫向振幅的相關(guān)規(guī)定不適用于雙柱式橋墩，故參照北京交通大學(xué)《鐵路橋墩橫向剛度問題研究總報(bào)告》［6］中關(guān)于雙柱式橋墩墩頂橫向振幅通常值有關(guān)規(guī)定，計(jì)算該墩頂橫向振幅通常值為1. 22 mm，按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中對橋梁結(jié)構(gòu)的跨中橫向振幅限值有關(guān)規(guī)定，計(jì)算該孔跨中橫向振幅通常值為2. 54 mm。

由表1可知，橋墩加固前橋跨跨中的橫向振幅為2. 47 mm，與規(guī)范規(guī)定通常值2. 54 mm很接近；橋墩墩頂橫向振幅為1. 35 mm，超過規(guī)范規(guī)定通常值1. 22 mm，表明橋墩橫向振動(dòng)偏大，橫向剛度較弱。

當(dāng)橋墩加固高度為8 m時(shí)，橋跨跨中橫向振幅為1. 65 mm，墩頂橫向振幅為0. 73 mm；當(dāng)加固高度為13. 00 m時(shí)，橋跨跨中橫向振幅為1. 58 mm，墩頂橫向振幅為0. 66 mm，均滿足規(guī)范要求。橋梁跨中橫向振幅和橋墩墩頂橫向振幅隨墩身加固高度增加而逐漸減小，當(dāng)加固高度超過8 m后墩頂橫向振幅降低幅度較小。

參照文獻(xiàn)［6］中關(guān)于雙柱式橋墩橫向自振頻率通常值有關(guān)規(guī)定，計(jì)算該墩頂橫向自振頻率通常值為2. 36 Hz。隨著橋墩加固高度不同，橋墩橫向自振頻率計(jì)算值見表2。

表1　橋梁跨中及墩頂橫向振幅計(jì)算值

表2　橋墩橫向自振頻率計(jì)算值

由表2可知，加固前橋墩橫向自振頻率計(jì)算值為2. 38 Hz，與通常值2. 36 Hz接近，表明橋墩橫向自振頻率偏小，橫向剛度較弱。墩身加固高度為8 m時(shí)橋墩橫向自振頻率計(jì)算值為3. 08 Hz，遠(yuǎn)大于通常值，與加固前相比提高29. 41％；橋墩加固高度為13 m時(shí)橋墩橫向自振頻率計(jì)算值為3. 23 Hz，與加固前相比提高35. 71％。隨著橋墩加固高度的增加，橋墩橫向自振頻率增加比例逐漸減緩。

按照擬定加固方案，橋墩加固過程中加固高度每增加1 m，墩身混凝土量增加約8. 63 m3，橋墩自重及基底應(yīng)力均增加8. 73％。當(dāng)橋墩加固高度為8 m時(shí)橋梁跨中橫向振幅抑制比達(dá)到33. 20％，加固高度為13 m時(shí)跨中橫向振幅抑制比達(dá)到36. 03％，與加固高度為8 m時(shí)相比僅提高2. 83％。當(dāng)加固高度為8 m時(shí)墩頂橫向振幅抑制比達(dá)到45. 93％，加固高度為13 m時(shí)，墩頂橫向振幅抑制比達(dá)到最大值51. 11％，與加固高度為8 m時(shí)相比僅提高5. 18％。但橋墩加固高度由8 m增加至13 m，墩身自重和基底應(yīng)力均增加43. 65％。由此可知，橋墩加固高度為8 m時(shí)橋墩橫向剛度提高值與基地應(yīng)力增量比值最優(yōu)，加固方案最合理。

3　振動(dòng)特性試驗(yàn)分析

朔黃鐵路公司于2015年對一特大橋雙線雙柱式橋墩進(jìn)行加固，將部分墩高范圍內(nèi)加固為圓端形板式墩。為研究重載列車作用下雙線雙柱式墩振動(dòng)特性，并對加固效果進(jìn)行驗(yàn)證分析，分別于2014年10月和2015年8月對加固前后橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行性能試驗(yàn)，采集運(yùn)營重載列車通過時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)。測試過程中，選取第2孔及1#～4#橋墩為測試對象，1#～4#橋墩墩高分別為14，13，13，13 m，加固過程中加固高度分別為9，8，8，8 m。測試中采用941B拾振器作為振動(dòng)測試傳感器，第2孔跨中布置橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅、豎向加速度傳感器，1#～4#測試墩墩頂沿縱向、橫向分別布置1個(gè)振幅傳感器。朔黃鐵路現(xiàn)行重載列車主要為C64，C70，C80，本次測試列車行駛速度在53～73 km/h。

按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中對橋梁結(jié)構(gòu)跨中橫向振幅限值的有關(guān)規(guī)定，計(jì)算該橋第2孔跨中橫向振幅安全限值［Amax］5％為3. 56 mm，通常值（Amax）5％為2. 54 mm。加固前后運(yùn)營重載列車作用下橋跨跨中橫向振幅見表3。

表3　運(yùn)營重載列車作用下橋跨跨中橫向振幅

由表3可知，在運(yùn)營重載列車作用下，加固前橋跨跨中橫向振幅最大值為2. 38 mm，與規(guī)范規(guī)定通常值2. 54 mm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)營重載列車作用下跨中橫向振幅抑制比介于21. 43％～45. 79％，加固效果明顯。

參照文獻(xiàn)［6］關(guān)于雙柱式橋墩墩頂橫向振幅通常值有關(guān)規(guī)定，計(jì)算1#墩頂橫向振幅通常值為1. 46 mm，2#～4#墩頂橫向振幅通常值為1. 22 mm。加固前后運(yùn)營重載列車作用下墩頂橫向振幅實(shí)測值見表4。

表4　運(yùn)營重載列車作用下墩頂橫向振幅實(shí)測值

由表4可知，運(yùn)營重載列車作用下，加固前1#～4#墩頂橫向振幅接近或超過規(guī)范通常值，表明加固前各墩橫向振幅偏大，橫向剛度不足。加固后墩頂橫向振幅均滿足規(guī)范通常值要求，與加固前相比墩頂橫向振幅抑制比達(dá)48. 80％～59. 15％。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，采用該方法加固后橋墩橫向剛度提高較大，加固效果明顯。

參照文獻(xiàn)［6］關(guān)于雙柱式橋墩橫向自振頻率通常值有關(guān)規(guī)定，1#墩橫向自振頻率通常值為2. 13 Hz，2#～4#墩橫向自振頻率通常值為2. 36 Hz。采用余振法對加固前后橋墩橫向自振頻率進(jìn)行分析，實(shí)測值見表5。

表5　橋墩橫向自振頻率實(shí)測值

由表5可知，運(yùn)營重載列車作用下加固前1#～4#墩橫向自振頻率實(shí)測值接近或小于規(guī)范通常值，表明加固前各墩橫向自振頻率偏低，橫向剛度不足。加固后各墩橫向自振頻率均滿足規(guī)范要求，加固后1#～4#墩橫向自振頻率提高近1倍，加固效果明顯。

4　結(jié)論

本文以朔黃鐵路中一特大橋雙線雙柱式橋墩為研究對象，通過有限元分析結(jié)合現(xiàn)場振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對該類橋墩在重載列車作用下的橫向振動(dòng)特性及加固方法進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1）與加固高度為墩全高相比，當(dāng)橋墩加固高度為墩高的61. 5％時(shí)，橋跨跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅抑制比可達(dá)到加固高度為墩全高時(shí)的90. 0％左右；橋墩頂橫向自振頻率提高值可達(dá)到加固高度為墩全高時(shí)的80％左右。

2）有限元分析及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，采用將雙柱式橋墩加固為圓端形板式墩的方法可以有效提高橋墩橫向剛度，降低橋跨跨中及墩頂橫向振幅，加固效果顯著。但當(dāng)加固高度超過一定高度后，橋墩橫向剛度提高較少，同時(shí)會增大基底應(yīng)力。因此采用該方法加固時(shí)，應(yīng)合理優(yōu)化墩身加固高度。

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（責(zé)任審編鄭冰）

Reinforcing Method of Lateral Stiffness of Twin-Column-type Double-Track Bridge Pier Under Condition of Heavy Haul Railway Transport

HUANG Xianguo
（Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China）

AbstractW ith the increase of the establishment and the axle load of heavy haul train，there are going to appear the phenomena that the lateral amplitude of piers is too large and the lateral stiffness is too weak in part of twin-columntype double-track bridge piers，which will affect driving safety. T he reinforcement method of twin-column-type double-track bridge piers of Shuozhou-Huanghuagang railway was studied by finite element analysis with the test of field vibration in this paper. T he results show that when the reinforcement height arrives 60％of pier，the rejection ratio of lateral amplitude of pier will reach 45. 67％. W hen the reinforcement height exceeds 60％of pier，with the increase of reinforcement，the extend of the lateral amplitude of top pier decreases inconspicuously，so the reinforcement height should be optimized before adopting this method to reinforce this type of bridge piers.

Key wordsHeavy haul railway；Bridge pier；Lateral stiffness；Reinforcement

中圖分類號U445. 7+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 04

文章編號：1003-1995（2016）06-0015-04

收稿日期：2016-03-21；修回日期：2016-04-27

作者簡介：黃先國（1968—），男，高級工程師。