既有鐵路橋梁板式支座快速更換施工技術(shù)研究

李鵬飛張曉康潘金鵬周 都楊高艦

(1.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司 工程技術(shù)部,北京 100071;2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著鐵路線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),鐵路橋梁及其附屬結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種病害,影響橋梁的耐久性和正常使用.在既有鐵路線擴(kuò)能改造和提速提載后,原有的橋梁病害也會(huì)進(jìn)一步加劇,所以維修改造成為鐵路管養(yǎng)部門(mén)的一項(xiàng)常態(tài)化工作[1].橋梁支座是將橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞給下部結(jié)構(gòu),最終傳遞到地基的重要組成部分.支座除滿足受力要求外,還要能按照預(yù)定的設(shè)計(jì)要求,滿足位移和轉(zhuǎn)角的變形要求.支座的靈活與否直接關(guān)系著橋梁結(jié)構(gòu)整體的受力狀態(tài),影響橋梁的壽命.為此,對(duì)支座的功能進(jìn)行檢查和狀態(tài)識(shí)別,對(duì)支座靈活性和損傷狀況進(jìn)行界定,并分析病害原因,是選擇支座處置方案的重要依據(jù).病害嚴(yán)重和無(wú)法進(jìn)行功能修復(fù)的支座必須更換.針對(duì)橋梁支座更換,國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了不少研究,也積累了很多施工經(jīng)驗(yàn).如文獻(xiàn)[2]結(jié)合獅子林橋支座更換工程,研究了一種大位移頂升技術(shù),可將主橋結(jié)構(gòu)整體頂升1.27 m 后再成功回落到原橋位.文獻(xiàn)[3]結(jié)合一座公路簡(jiǎn)支梁橋介紹了頂升梁體更換支座施工技術(shù).文獻(xiàn)[4-6]提出了不中斷交通狀況下的支座更換方法.文獻(xiàn)[7]結(jié)合實(shí)際工程,對(duì)多片式T 梁同步頂升更換支座技術(shù)進(jìn)行了探討.這些文獻(xiàn)為鐵路橋梁支座更換提供了借鑒.鐵路橋梁支座的更換需要在天窗點(diǎn)時(shí)間內(nèi)限時(shí)完成,且要快速恢復(fù)線路到營(yíng)運(yùn)狀態(tài),不能長(zhǎng)時(shí)間影響鐵路營(yíng)運(yùn),這就對(duì)頂升量、頂升過(guò)程控制及頂升更換施工組織的要求更加嚴(yán)格.本文結(jié)合大萊龍鐵路擴(kuò)能改造支座更換工程,在研究相關(guān)文獻(xiàn)和現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種同步微量頂升及自動(dòng)控制、快速更換的方法,實(shí)現(xiàn)了在天窗點(diǎn)內(nèi)完成全部作業(yè),及時(shí)恢復(fù)線路營(yíng)運(yùn),并將對(duì)營(yíng)運(yùn)線路行車(chē)的影響降到最低的目標(biāo).

1 工程概況

山東大萊龍貨運(yùn)鐵路線始建于1999年,為有砟短軌線路.隨著鐵路年運(yùn)輸量的不斷提高,橋涵病害日益顯露出來(lái).2018年4月,為了給線路擴(kuò)能改造和日常養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù),對(duì)此工程(里程范圍:益羊鐵路YK62+691.79—YK71+952.16及大萊龍鐵路K297+700.00—K463+306.70) 涉及的77座重點(diǎn)橋涵(共計(jì)372孔跨)開(kāi)展了普查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)全線有21座橋梁,共344塊板式橡膠支座出現(xiàn)了劣化問(wèn)題,需要盡快進(jìn)行修復(fù)或者更換.

本文以此線路的海港路中橋?yàn)檠芯繉?duì)象.該橋?yàn)殇摻罨炷罷 梁橋,橋梁中心里程為K321+701.15,跨度為(12+20+20+12)m,橋面總寬為3.9 m.上部結(jié)構(gòu)的1跨、4跨為普高度先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁,2跨、3跨為低高度后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁,梁體混凝土等級(jí)為C50,采用板式橡膠支座;下部結(jié)構(gòu)為獨(dú)柱式橋墩,鉆孔灌注樁基礎(chǔ).該橋梁部分支座病害嚴(yán)重,已導(dǎo)致橋梁行車(chē)危險(xiǎn)性提高.工程要求在保證鐵路行車(chē)安全的情況下,在無(wú)縫線路改造施工前的每日封鎖點(diǎn)4 h內(nèi)完成一跨梁體支座更換任務(wù).

2 支座病害檢查與分析

因板式橡膠支座具有構(gòu)造簡(jiǎn)單,易加工,節(jié)約鋼材,經(jīng)濟(jì)耐用且施工方便等優(yōu)點(diǎn),故被廣泛應(yīng)用.根據(jù)使用需求,板式橡膠支座可以設(shè)計(jì)為矩形或圓形,其構(gòu)造見(jiàn)圖1.

圖1 板式橡膠支座的構(gòu)造

其主要工作原理為:轉(zhuǎn)角變形通過(guò)橡膠的不均勻彈性壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn),水平位移通過(guò)橡膠的剪切變形完成.支座產(chǎn)生病害,會(huì)造成全部或部分變形能力失靈,結(jié)構(gòu)受力會(huì)發(fā)生變化,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或者崩塌、掉塊.

2.1 檢查內(nèi)容

按《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 支座》TB/T 2820.3—1997的規(guī)定,對(duì)鐵路橋梁板式橡膠支座的劣化類(lèi)型、劣化等級(jí)進(jìn)行檢查和評(píng)定[8].檢查內(nèi)容包括: (1)裂紋,主要檢查板式橡膠支座是否出現(xiàn)裂紋,記錄裂紋寬度、裂紋長(zhǎng)度、裂紋長(zhǎng)度占支座長(zhǎng)度的比例等;(2)鋼板外露狀況,主要檢查板式橡膠支座是否存在鋼板外露現(xiàn)象,若有,記錄鋼板外露長(zhǎng)度;(3)不均勻鼓凸、脫膠情況,主要檢查板式橡膠支座是否存在不均勻鼓凸、脫膠現(xiàn)象,若有,記錄不均勻鼓凸的長(zhǎng)度及長(zhǎng)度占支座總長(zhǎng)度的比例;(4)剪切超限,檢查板式橡膠支座是否存在剪切變形,如存在,剪切變形是否超限;(5)支座位置串動(dòng)或不密貼,檢查支座是否存在串動(dòng)錯(cuò)位及與墊石或梁底不密貼的問(wèn)題,若有,記錄相關(guān)情況.

2.2 病害現(xiàn)狀

普查中發(fā)現(xiàn)的板式支座病害主要有剪切變形、鼓凸變形、橫縱向裂縫3種,見(jiàn)圖2.其中,嚴(yán)重的病害已達(dá)到鐵路橋梁支座AA 級(jí)病害標(biāo)準(zhǔn),支座需要進(jìn)行更換.有些病害具有較大的潛在安全風(fēng)險(xiǎn),如支座脫空會(huì)使其他支座受力增大而損壞;支座偏位會(huì)造成受力不均;墊石找平層風(fēng)化,下鋼板異常變形等均會(huì)加劇支座的劣化.

圖2 板式支座主要病害

2.3 病害原因

板式橡膠支座開(kāi)裂的原因可能是由于制作過(guò)程中橡膠原料、加工工藝不過(guò)關(guān)或支座施工安裝時(shí)操作不規(guī)范引起的.在板式橡膠支座安裝后,受橫縱坡或其他因素的影響,梁體與支座接觸不完全、有間隙,在列車(chē)荷載的反復(fù)作用下,支座接觸部位應(yīng)力增大甚至超限而加劇損壞.

3 同步頂升設(shè)計(jì)

既有線頂升更換支座,主要難點(diǎn)在于要盡量減少對(duì)鐵路營(yíng)運(yùn)的影響.頂升更換一孔跨支座務(wù)必在天窗點(diǎn)內(nèi)限時(shí)完成,以不影響列車(chē)營(yíng)運(yùn)為根本目的.病害支座必須快速更換、快速恢復(fù)到營(yíng)運(yùn)狀態(tài),更換過(guò)程中千斤頂頂升必須達(dá)到完全同步和頂升量值微小.為選定同步頂升千斤頂和掌握同步頂升過(guò)程梁體的狀態(tài)情況,借助MIDAS/CIVIL 空間計(jì)算軟件建立海港路中橋模型,見(jiàn)圖3.模型采用梁?jiǎn)卧?在節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4處模擬實(shí)際支座位置,擬定頂升高度控制在10 mm 以?xún)?nèi),頂升方式為整體同步微量頂升.頂升過(guò)程中的支座反力和應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖4和圖5.

圖3 海港路中橋模型圖

圖4 有限元反力計(jì)算模型圖

圖5 頂升過(guò)程中的應(yīng)力云圖

考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載作用和橋面軌道系統(tǒng)的影響,通過(guò)有限元模擬分析計(jì)算,支座的反力最大為466.2 k N;同步頂升過(guò)程中應(yīng)力最大值為7.02 MPa,該應(yīng)力值較低,故不至于對(duì)梁體造成損害.如果頂升不同步,會(huì)對(duì)橋面軌道系統(tǒng)造成不利影響,也會(huì)產(chǎn)生梁體受力不均,反力不平衡等問(wèn)題,因此,同步微量頂升的控制非常重要.

根據(jù)分析結(jié)果,考慮頂升安全及最大力控制在頂升千斤頂量程的40%～80%時(shí)測(cè)出的力值最準(zhǔn)確這一緣由,經(jīng)過(guò)比選,最終采用QF50t-12.5b分離式液壓千斤頂進(jìn)行頂升施工.為保持平衡,防止出現(xiàn)側(cè)翻,在每個(gè)支座位置兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置兩個(gè)千斤頂,千斤頂技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.這樣,可以實(shí)現(xiàn)多頂同步控制,通過(guò)液壓泵站控制中心實(shí)現(xiàn)微量同步頂升.

4 頂升施工工藝

4.1 頂升控制原則

由于鐵路T 型橋梁本身結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng),頂升處置不當(dāng)會(huì)造成側(cè)翻和局部損壞,為此,頂升控制的重點(diǎn)在于要保持頂升過(guò)程橋梁結(jié)構(gòu)姿態(tài)和相對(duì)高度差不變,以確保結(jié)構(gòu)頂升期間受力狀態(tài)與初始狀態(tài)一致,這是橋梁頂升控制的主要標(biāo)準(zhǔn).頂升系統(tǒng)組成、千斤頂配置和布設(shè)也必須基于此.如果條件允許,還應(yīng)適當(dāng)增加橋梁頂升控制的位移傳感器數(shù)量,通過(guò)多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè),有效地控制梁體的姿態(tài)和位移.

表1 QF50t-12.5b分離式液壓千斤頂技術(shù)參數(shù)_____

(1)頂升力控制原則.頂升千斤頂實(shí)際頂升力應(yīng)控制在其量程的40%～80%,這樣可以確保頂升力的控制精度.

(2)選型原則.同一泵站的輸出油路必須連接到相同類(lèi)型的液壓千斤頂上.橋梁頂升時(shí),避免連接不同類(lèi)型的千斤頂.

(3)對(duì)稱(chēng)布置原則.由于千斤頂具有相同的型號(hào)和千斤頂力,因此布置時(shí)要采用同一支座左右對(duì)稱(chēng)、數(shù)量相等(各1個(gè)頂)且頂中心到支座橫向中心距相等的布置方法,以確保千斤頂頂力和各點(diǎn)的力矩相等,保證在橋梁頂升期間結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)和側(cè)傾.

(4)同步微量頂升原則.在橋梁頂升期間,通過(guò)位移傳感器進(jìn)行縱向同步和橫向同步控制,通過(guò)中心控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步且微量頂升,以減少對(duì)梁體和線路的影響.

4.2 頂升施工流程

支座更換為3級(jí)鐵路營(yíng)運(yùn)線施工.天窗封鎖點(diǎn)為4 h.須在封鎖點(diǎn)內(nèi)完成支座更換,線路檢查作業(yè)并及時(shí)開(kāi)通線路,支座更換頂升流程圖見(jiàn)圖6.

圖6 支座更換頂升流程圖

在頂升之前必須做好詳細(xì)預(yù)案和更換組織交底,防止出現(xiàn)窩工或失誤,具體施工組織時(shí)間安排為:千斤頂布設(shè)1.5 h,梁體頂升及舊支座拆除1 h,墊石及梁底處理、安裝新支座并落梁完畢1 h、線路恢復(fù)0.5 h.本工程施工實(shí)踐證明,按此進(jìn)行更換過(guò)程控制,可以滿足快速更換和快速恢復(fù)線路營(yíng)運(yùn)的要求.

4.3 千斤頂布置與試頂升

采用單孔同步微量頂升技術(shù),將千斤頂置于墩臺(tái)帽頂面,縱向距梁邊不可過(guò)近,避免梁邊混凝土脫落,千斤頂橫向?qū)ΨQ(chēng)、均勻置于梁底,見(jiàn)圖7.每片梁端布置兩個(gè)千斤頂,每孔梁布置8個(gè)千斤頂,頂升前測(cè)量、記錄橋面及鋼軌標(biāo)高,確保支座更換前后橋面高程不變[6].為保證頂升時(shí)梁體混凝土不被破壞,在各千斤頂?shù)撞繅|上Φ200 mm×100 mm 的鋼板,以增大千斤頂與梁底和橋墩臺(tái)混凝土的接觸面積,使混凝土局部受壓強(qiáng)度小于混凝土抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值.強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)不小于1.5.

圖7 千斤頂橫向布置圖

在正式支座更換頂升前,為了觀察和考核整個(gè)頂升系統(tǒng)的工作狀態(tài),需進(jìn)行試頂升工作.試頂升時(shí),需將梁體頂起2 mm,然后停止,進(jìn)行觀察,一切正常后才可以進(jìn)行正式頂升.

4.4 正式頂升

(1)為加快線路恢復(fù)速度,頂升前在橋面上布置若干標(biāo)高和中線觀測(cè)點(diǎn),精確測(cè)量各點(diǎn)的標(biāo)高值及橋梁偏移情況,并做好記錄,確定各點(diǎn)的精確頂升高度,為線路恢復(fù)及檢查提供精確數(shù)據(jù).

(2)為加快頂升速度,頂升選用同步微量頂升系統(tǒng),見(jiàn)圖8.其8個(gè)支點(diǎn)同步進(jìn)行頂升,位移偏差控制在±0.5 mm,避免頂升不同步造成梁體傾斜,從而影響施工進(jìn)度、人身及線路安全.

(3) 測(cè)試頂升設(shè)備.正式頂升前進(jìn)行試頂升,出頂高度2 mm 后保壓10 min,檢查頂升是否同步,頂升設(shè)備性能是否良好,壓力泵中的油是否正常等.

(4)試頂升完畢后進(jìn)行正式頂升.正式頂升時(shí),通過(guò)位移傳感器的實(shí)際測(cè)量及電腦數(shù)據(jù)聯(lián)合控制各支點(diǎn)的位移量,頂升速度控制在3 mm/min,要時(shí)刻注意各支點(diǎn)的變化情況,避免出現(xiàn)脫空、偏壓、不均勻支撐受力等.頂升至預(yù)設(shè)高度后立即停止,關(guān)閉鎖止閥并設(shè)置臨時(shí)支撐.

圖8 PCL同步頂升系統(tǒng)組成圖

總之,頂升過(guò)程中,要嚴(yán)格控制千斤頂?shù)男谐唐?將頂升速度控制在允許范圍內(nèi),達(dá)到頂升高度立即設(shè)置臨時(shí)支撐,避免千斤頂回油造成事故,盡可能將因頂升對(duì)線路的影響降至最低[7].

4.5 舊支座拆除、墊石及梁底處理

要保證支座更換質(zhì)量,必須保證舊支座拆除徹底,并滿足對(duì)接觸面的平整度要求.如果處理不到位,將直接影響新裝支座位移功能的靈活性,帶來(lái)不可預(yù)期的損壞風(fēng)險(xiǎn).舊支座拆除處理的相關(guān)技術(shù)控制要點(diǎn)如下:

(1) 因支座高度為15 cm,首先拆除舊支座的上鋼板,為下鋼板留出足夠拆除空間;下鋼板拆除有困難時(shí),可對(duì)舊支座進(jìn)行切割處理;舊支座螺母銹蝕嚴(yán)重時(shí),為加快施工進(jìn)度,頂升施工前應(yīng)對(duì)螺栓進(jìn)行除銹并噴涂除銹劑,避免正式施工時(shí)無(wú)法拆除,導(dǎo)致超時(shí).

(2)舊支座拆除完畢,對(duì)梁底及墊石進(jìn)行清理,不得留有雜物.墊石修補(bǔ)采用半干硬性砂漿.施工時(shí)將墊石松散部分鑿除并清理干凈,噴水濕潤(rùn)但不得留有存水,以免影響半干硬性砂漿的修補(bǔ)效果.砂漿采用搗填的方式,搗實(shí)時(shí)達(dá)到發(fā)光、泌水為宜,避免因松散造成支座下沉而出現(xiàn)不均勻受力,影響線路安全.修復(fù)后,墊石標(biāo)高及平整度應(yīng)嚴(yán)格符合規(guī)范要求.

4.6 新支座安裝

墊石處理完畢并檢驗(yàn)合格后,進(jìn)行新支座安裝.因在狹小空間內(nèi)進(jìn)行新支座安裝,可以使用工具輔助完成支座安裝,以保證新支座安裝質(zhì)量符合要求.具體要求包括:安裝后墊石與支座間應(yīng)緊貼,支座四周不得有縫隙;活動(dòng)支座的橡膠板與不銹鋼板不得有刮痕;安裝前清洗活動(dòng)支座,滑移面保持干凈、潤(rùn)滑;支座頂面鋼板與梁底鋼板焊接時(shí),不得燒傷支座鋼板.

4.7 落梁

安裝合格后,撤去臨時(shí)支撐,同步落梁,落梁速度與頂升速度一致.豎向監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步誤差控制在±0.5 mm 內(nèi),同時(shí)要檢測(cè)橋面線路的變化情況.落梁完畢,安裝鋼板螺栓并擰緊;檢測(cè)支座安裝是否脫空,受力是否均勻,位置是否合格.

4.8 其他工作

支座更換工作完成后,采用水準(zhǔn)儀測(cè)量軌頂標(biāo)高,用道尺檢測(cè)線路寬度及幾何尺寸,并檢查鋼軌、扣件、夾板的變形情況.線路恢復(fù)完畢合格后,才能開(kāi)通線路,此時(shí)人員、機(jī)具務(wù)必全部撤離現(xiàn)場(chǎng).

5 施工保障

(1) 全面落實(shí)準(zhǔn)備工作

一是認(rèn)真做好施工準(zhǔn)備工作,既有線由于需要在天窗點(diǎn)內(nèi)完成施工,故準(zhǔn)備工作極其重要;二是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,進(jìn)行施工方案優(yōu)化,合理組織施工;三是做好人員分工安排,施工過(guò)程中各司其職,順利完成工作任務(wù);四是選用合理施工機(jī)具,如梁體頂升采用PCL頂升系統(tǒng)可以更好地進(jìn)行頂升過(guò)程控制,施工前保證所有設(shè)備處于最佳狀態(tài);五是所有材料均檢測(cè)合格并出具檢測(cè)報(bào)告;六是施工前進(jìn)行技術(shù)交底,通過(guò)對(duì)施工工藝及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的交底,明確施工方法和質(zhì)量目標(biāo),使作業(yè)人員自覺(jué)按照標(biāo)準(zhǔn)施工.這些均有利于施工過(guò)程的質(zhì)量控制,以保質(zhì)保量完成施工任務(wù).

(2)加強(qiáng)安全管理

安全控制是施工過(guò)程中的重要內(nèi)容.施工前對(duì)所有人員進(jìn)行安全教育,考試合格后方可上線作業(yè);組織學(xué)習(xí)營(yíng)運(yùn)線施工安全知識(shí)及卡控要點(diǎn);落實(shí)安全管理措施,杜絕安全事故發(fā)生,避免因發(fā)生事故而影響施工進(jìn)度.

(3)加強(qiáng)過(guò)程控制

施工過(guò)程中加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)落實(shí),加大檢查和控制力度;施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員全程跟蹤進(jìn)行質(zhì)量控制,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)糾正,遇到難題及時(shí)解決,將問(wèn)題消滅在萌芽中,避免后期因質(zhì)量問(wèn)題而返工.

6 結(jié)論

(1)既有線支座病害種類(lèi)繁多,其中剪切變形、鼓凸變形、橫縱向裂縫等是主要的病害形式.應(yīng)根據(jù)支座劣化程度選擇更換或維修,以確保線路行車(chē)安全.

(2)鐵路T 梁結(jié)構(gòu)本身不對(duì)稱(chēng),在頂升過(guò)程中很容易出現(xiàn)側(cè)翻,為此,在選擇千斤頂系統(tǒng)時(shí),必須考慮同步微量頂升,且千斤頂必須在支座兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布設(shè),頂升過(guò)程保持受力均衡.受橋面線路的固定約束作用,頂升過(guò)程務(wù)必嚴(yán)格控制,防止頂升過(guò)程梁體混凝土開(kāi)裂.頂升更換支座必須保證多支點(diǎn)完全同步.

(3)采用微量頂升技術(shù),既不必拆除扣件、夾板,也不必清除道砟,又不用軋道動(dòng)檢,可縮短施工時(shí)間,有利于在天窗點(diǎn)內(nèi)高質(zhì)量完成施工任務(wù).