雙柱式鋼筋混凝土柔性墩加固設(shè)計方案比選研究

馬 丁 紅

(甘肅公路航空旅游研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

1.1 原理

柔性橋墩[1]是將多孔簡支梁、橋墩、承臺用支座連接起來，形成多跨結(jié)構(gòu)，以共同承擔(dān)橋跨傳來的水平荷載，此水平荷載按橋墩的實際剛度進行分配，故可以大大減少柔性墩承擔(dān)的水平荷載，而使大部分水平荷載傳往剛性橋墩，進而使得柔性墩的設(shè)計尺寸減小，降低工程造價。

剛度比較小作為雙柱式柔性墩的顯著特點，受水平荷載后雙柱式柔性墩允許在一定范圍內(nèi)發(fā)生變形，將橋跨結(jié)構(gòu)傳來的水平荷載傳遞到每個墩臺，使得單個橋墩所受到的水平荷載減少，從而達到橋墩截面減少的目的。本文通過橋墩截面填實、橋墩斜撐增加、墩身加寬及下部墩身加寬等方案，通過midas civil軟件建模分析在各加固方案下橋墩的特性。

1.2 加固目的

我國經(jīng)濟增長的同時鐵路運輸行業(yè)也得到了翻天覆地的變化，寧夏計劃在靈武至寧東運煤專線開行C80萬噸運煤專列，從而提高其運輸能力。根據(jù)檢測單位對線路既有橋梁進行的靜動載荷載實驗結(jié)果[2]，沿線大部分橋梁墩柱自振頻率超出鐵運函[2004]120號鐵路橋梁檢定規(guī)范(以下簡稱《橋檢規(guī)》)規(guī)定的限值，已不滿足現(xiàn)行通行條件，因此需對墩柱進行加固，確保武寧線安全通行。

1.3 分析方案

本論文采取的加固方案[3]有：方案一：將雙柱式橋墩填實成為矩形；方案二：填實后增加斜撐；方案三：增加墩身寬度至6 m，墩身厚度不變；方案四：增加墩寬度至5 m，厚度至1.5 m；方案五：墩身上部(不包括墩帽)5 m段填實，下部7 m段加寬至5 m，增厚至1.5 m，中間1 m段過渡。

1.4 分析方法

選取該橋橋墩自振頻率、墩頂振幅、墩身最大拉應(yīng)力、墩身最大壓應(yīng)力、制動力位移為評價參數(shù)[4]，建立有限元模型，分析原橋墩評價參數(shù)、橋墩加固后各方案的評價參數(shù)與《橋檢規(guī)》相關(guān)規(guī)定值進行比較，選取最優(yōu)加固方案。

2 應(yīng)用實例

2.1 原橋概況

橋梁位于靈武至寧東鐵路支線DK85+35處，于1977年9月建成通車，該橋結(jié)構(gòu)型式為：4-24 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，橋梁位于2.3‰坡度直線段上；下部結(jié)構(gòu)為雙柱式鋼筋混凝土柔性墩，橋墩為C25混凝土。

2.2 原結(jié)構(gòu)模擬

2.2.1midas建模參數(shù)

承臺采用板單元，承臺—橋墩采用梁單元，墩采用梁單元，利用midas/Civil建立橋墩模型[5]，墩臺模型每0.5 m為一個有限元單元。整體劃分為80個節(jié)點，89個單元：承臺底約束條件底采用一般支承，6個自由度約束，承臺頂和墩底采用共用節(jié)點的方式連接。

2.2.2模擬計算荷載

根據(jù)橋梁實際受力情況，整理模擬計算荷載見表1。

表1 模擬計算荷載表

2.2.3原模型計算結(jié)果

根據(jù)midas建模結(jié)果，得到原橋及各方案下橋墩振幅見圖1～圖6，原橋及各方案下評價參數(shù)指標對比見表2～表7。

表2 原橋墩評價參數(shù)對比表

由表2中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂振幅實測值和理論計算值均已超出了《橋檢規(guī)》規(guī)定限值，且理論值與實測值比較接近，說明理論計算值有一定的參考性。墩身最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力理論計算值在C80列車荷載作用下，其值已經(jīng)超出了C25混凝土的最大壓應(yīng)力值，經(jīng)與管理運營單位溝通，需對該橋墩進行加固。

3 方案計算結(jié)果

3.1 方案一

表3 方案一評價參數(shù)對比表

由表3中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動力位移理論計算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值，但墩身最大拉應(yīng)力、墩頂振幅理論計算值不滿足鐵運函[2004]120號鐵路橋梁檢定規(guī)范規(guī)定限值。

3.2 方案二

表4 方案二評價參數(shù)對比表

由表4中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動力位移理論計算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求，但墩身最大拉應(yīng)力、墩頂振幅理論計算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

3.3 方案三

表5 方案三評價參數(shù)對比表

由表5中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂振幅、墩頂制動力位移理論計算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求，但墩身最大拉應(yīng)力理論計算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

3.4 方案四

表6 方案四評價參數(shù)對比表

由表6中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂振幅、墩頂制動力位移、墩身最大壓應(yīng)力理論計算值均滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

3.5 方案五

表7 方案五評價參數(shù)對比表

由表7中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂制動力位移、墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂振幅、墩身最大壓應(yīng)力理論計算值均滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

4 方案比選結(jié)論

由以上分析可知：

1)方案一、方案二對原橋墩只增加充實橋墩和充實后增加斜撐情況下，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動力位移能滿足《橋檢規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，但墩身最大拉應(yīng)力、墩頂振幅均超出《橋檢規(guī)》規(guī)定限值。

2)方案三對原橋墩只增加寬度情況下，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動力位移、墩頂振幅能滿足《橋檢規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，但墩身最大拉應(yīng)力超出《橋檢規(guī)》規(guī)定限值。

3)方案四、方案五對原橋墩既增加寬度又增加厚度情況下，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動力位移、墩頂振幅、墩身最大拉應(yīng)力均能滿足《橋檢規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，但方案五混凝土增加量偏少，從各方面都比較理想。

5 結(jié)語

雙柱式鋼筋混凝土柔性墩加固時，通過選取不同加固形式和截面尺寸，可以同時提高橋墩墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動力位移、墩頂振幅、墩身最大拉應(yīng)力，并且取得很好的加固效果，適用于對提載要求較高的舊橋橋墩加固處理。