双柱式桥墩横向加固技术研究和实践

2010-09-04李荣昌张传东陈学民

铁道建筑 2010年10期

李荣昌，张传东，陈学民

(济南铁路局工务处，济南 250001)

1 桥梁概况

兖南线K13+822特大桥为146×16 m预应力混凝土T梁 +1×40 m桁梁。该桥建于1986年，共有51个双柱式桥墩，全部采用双层扩大基础，墩身高从4.0～8.8 m，地基土以硬黏土或砂黏土为主，基底允许应力为286～396 kPa，桥墩基本数据分类详见表1。

表1 双柱式桥墩基本数据

桥梁检测部门对该桥部分高度的桥墩进行了现场测试，其中第100号桥墩货物列车通过时(速度 v=31.9 km/h)，墩顶横向振幅最大单峰值为1.63 mm;第101号桥墩货物列车通过时(速度v=30.7 km/h)，墩顶横向振幅最大单峰值为1.06 mm。超过《检规》限值要求，不能满足当时货物列车运行速度要求，自2004年6月4日起，对货物列车长期限速运行。

自1997年以来，先后对京沪线徒骇河桥、大汶河桥的双柱式桥墩进行了加固，但仍然达不到《检规》限值要求，原因是墩身的横向刚度仍不能满足要求，在双柱之间增设联结提高墩身横向惯性矩有限，桥墩基础的刚度存在不足，墩身与承台或基础间的连接可能存在薄弱环节(指因施工造成的缺陷)。

为进一步解决双柱式桥墩横向刚度不足的问题，对管内兖南线K13+822特大桥等双柱式桥墩的横向刚度不足的问题，进行了横向加固研究。

2 加固方案研究

桥梁振动是由桥上运行列车引起的外激振动，桥墩横向振动响应的程度主要与外界激励源的大小和桥墩本身抵抗变形的能力即桥墩横向刚度有关，其横向刚度不足主要存在以下几个方面的原因:① 当时的设计主要考虑竖向受力要求，没有充分考虑桥梁的横向刚度要求，因而桥墩横向断面尺寸较小，双柱式桥墩属单线轻型墩，其横向刚度较弱。② 基础或承台的刚体转动对墩顶的横向振幅也产生较大影响。③ 由于墩身的刚度较弱及基础的刚体转动，导致桥墩的横向自振频率降低，当与车辆转向架运行的蛇行波频率接近时，会引起共振。④ 墩身或基础存在缺陷或不足。⑤轨道方向不平顺，或受货物列车编组的影响，列车在桥上出现侧倾和不均匀摇摆，使桥梁产生横向振动。⑥列车过桥时，虽然横向摇摆力减小，但是风所产生的单方向的水平力增加，增大了桥墩顶的横向位移(振幅)。

根据车桥系统振动理论，列车、桥梁和墩台是相互作用和相互制约的关系。尽管机车、车辆的竖向振动加速度、竖向舒适度、平稳度等可能都在允许范围内，当桥梁横向振动加剧时，桥上机车车辆的横向加速度、脱轨系数、摇摆力、轮压减载率等将随之增大，而且旅客乘坐舒适度和列车运行平稳度亦随之下降。因此，随着列车提速重载的发展，桥梁的主要问题是车桥横向振动的相互作用问题，对桥梁来说就是要解决其横向刚度的问题。具体来说，必须提高梁体和桥墩横向振动的自振频率，降低横向振幅。

2.1 加固技术要求

① 加固后，桥墩横向振幅及自振频率须满足《检规》的安全限值要求;② 桥墩加固施工过程中，不得中断行车，不采取特别限速措施;③ 加固后，不削弱桥墩的纵向刚度;④ 尽可能节省材料，降低加固费用;④确保施工期间桥梁设备的安全。

2.2 加固方案研究

对桥墩横向加固初步提出了4种方案。

1)方案1:增大墩身刚度。此方案虽然增加了墩身刚度，减少了因墩身刚度不足引起的墩顶横向振幅，但不能解决因基础刚体转动引起的墩顶横向振幅，也消除不了基础存在的缺陷或不足，同时增加了自重，增加了基底压应力，见图1(a)。

2)方案2:增大基础面积。从理论上讲，此方案能够降低基底压应力，但施工难度很大，不管基础埋深多少，都要挖到底，工程量大，且需降水;如扩大基础面积，新旧圬工结合的可靠性差;基础扩大后，襟边尺寸增加，刚性角不能满足规范要求;解决不了因墩身刚度不足或缺陷引起的墩顶横向振幅值，见图1(b)。

3)方案3:增大墩身刚度和基础面积。同时加大墩身截面和基础面积的加固方案，除同时存在以上两种方案存在的问题外，增加自重太大，圬工量大，加固费用高，不经济，见图1(c)。

4)方案4:增加桩基和墩身加斜撑方案。根据力学原理，在墩身两侧增加斜撑，能够增加墩身横向惯性矩，技术合理，节省费用。另根据结构力学原理，将因基础刚体转动引起的力传递给基础两侧增加的钻孔桩，不给既有基础增加太多负担。这种加固方案能同时解决墩身和基础横向刚度不足或缺陷，原理直观，结构简单，节省加固费用，见图2和图3。

根据以上分析，方案4能够全面解决双柱式桥墩目前存在的问题，经济合理，因此，确定方案4为本次双柱式高桥墩的横向加固方案。但对于高度较低的双柱式桥墩采用方案4显然是不经济的，因为低墩自身的横向刚度较大，可以采用方案1。

方案4的加固形式为在每个桥墩基础两侧各增设钢筋混凝土钻孔桩，增大基础的横向刚度，限制基础刚体转动;在墩身两侧增设钢筋混凝土斜撑，增大桥墩的横向刚度;在双柱式桥墩的双柱之间增设钢筋混凝土联板，使双柱联结为一个整体。图2为2根桩加固方案，图3为4根桩加固方案。考虑到节省工程费用、减少不安全因素，决定采用2根桩的加固方案。

对加固方案4采用有限元程序进行了仿真分析计算，结果见表2和表3。可以看出，其横向自振频率和横向抗推刚度增加非常明显。

图1 桥墩加固方案

表2 k3+822特大桥加固方案横向振动特性计算值比较

表3 k5+285特大桥加固方案的横向振动特性计算值比较

图2 双柱式桥墩加固2根桩方案

3 加固施工

将双柱式桥墩按墩身高度分为＞4.5 m和≤4.5 m两类，采取不同的加固方案。

3.1 墩高＞4.5 m的双柱式桥墩加固

图3 双柱式桥墩加固4根桩方案

根据仿真分析，对墩身高度＞4.5 m的桥墩，采用2根桩的方案，除墩柱间增设横向联板外，两侧增设钻孔桩基础、承台和斜撑。桩长不小于6 m，承台厚度不小于1 m，墩柱之间的横联板厚度取0.5 m，墩柱横向外侧的斜支撑高度取墩身高度的1/2至2/3、纵向厚度取墩柱的纵向宽度1.2 m、顶部横向宽度取0.5至0.6 m、底部横向宽度满足钻孔桩离既有基础边缘0.5 m的要求。

为保证加固效果，①对墩柱上的新旧圬工结合面打麻面处理，增大抗剪效果;②新承台与旧圬工间采用植筋连接，为减小施工难度，承台设置在既有基础顶;③钻孔桩长度确定为10 m。桩身离开基础边缘0.5 m;④斜撑与既有墩身间增设6道预应力筋，用于加强新旧圬工间的结合，提高其整体性，如图4所示。

3.2 墩高≤4.5 m的双柱式桥墩加固

墩身高度≤4.5 m的桥墩加固采用仅增设双柱间横联板的方案。

为保证加固效果，①在混凝土中添加一定数量的膨胀剂，用于抵消混凝土的收缩量，添加膨胀剂的数量由实验室通过试验确定;②对墩柱上的新旧圬工结合面进行打麻面处理，增大抗剪效果;③在墩柱与横向联板间增设6道预应力筋，用于加强新旧圬工间的结合，提高其整体性，如图5所示。

图4 墩高＞4.5 m加固方案

图5 墩高≤4.5 m加固方案

3.3 施工措施

1)钻孔方案。根据该桥工程地质情况，基底地质为黏土、砂黏土，承载力在257～396 kPa，土质比较稳定，在钻孔过程中不易塌孔。采用反循环旋转钻钻进成孔，能够更好地清除沉渣。为确保施工安全，在钻孔桩施工中采用大比重泥浆护壁(泥浆相对密度1.2～1.4)，确保不塌孔。

2)承台施工。①拆除桩头。②承台新旧圬工连接面凿毛。③进行植筋处理，新旧圬工连接采用直径16 mm HRB335螺纹钢筋，平面间距按20 cm布置，分上下两层，采用德国慧鱼牌化学植筋胶将钢筋植于既有墩身25 cm深。④ 灌注承台C30混凝土。

3)斜撑及横联板混凝土施工。① 墩身旧圬工连接面凿毛，栽牵钉。牵钉直径φ20 mm，间距40 cm交错布置，牵钉锚固采用LGT锚固包。②钻预应力钢筋孔，布设预应力筋，要保证两墩柱上的钻孔在一条直线上。③为保证加固效果，横联板混凝土中掺加一定量的膨胀剂，用于抵消混凝土的收缩。④ 混凝土灌注完毕经养护强度达到设计强度100%时，对预应力钢筋进行张拉，张拉控制应力为0.75 fpk。⑤ 封锚。

3.4 实施效果

为验证双柱式桥墩的横向加固效果，加固后进行了现场测试。实测第100号墩墩顶横向振幅最大单峰值为0.22 mm(v=44.9 km/h)，较加固前幅值减小了87%(该桥墩加固前为1.63 mm，v=31.9 km/h);实测第101号墩墩顶横向最大单峰值为0.34 mm(v=46.9 km/h)，较加固前幅值减小了68%(该桥墩加固前为1.06 mm，v=30.7 km/h)。试验结果表明，桥墩加固后，墩顶横向振幅得到了大幅降低，完全满足《检规》通常限值0.58 mm的要求(对于加固前的双柱式桥墩，《检规》没有规定限值;加固后，墩身全高11.3 m，计算宽度4.1 m，应属于低墩)。桥墩加固取得了理想的效果，达到了预期的目的，满足了列车按照常速安全运行要求。