新菏线跨京广铁路特大桥抑振加固实践

罗锦章

(郑州铁路局 工务检测所，郑州 450052)

1 桥梁及病害概况

1.1 桥梁概况

新菏上行线K3+855跨京广铁路特大桥，位于新乡市新乡运转场—新乡东站区间，全长3 016.1 m。上部结构由326孔8 m钢筋混凝土梁，9孔16 m先张预应力低高度混凝土梁，1孔24 m预应力混凝土梁及1孔32 m预应力混凝土梁(共计337孔)组成。全桥336个桥墩均为双柱式钢筋混凝土桥墩，墩高5.1～8.1 m。桥墩基础中明挖基础254个，钻孔桩基础82个。桥上为无缝线路，桥西段525 m为半径800 m的曲线，其余为直线。桥址属黄河冲积平原，地表以下30 m内分布粉土、粉砂、细砂、中砂及粉质黏土。

1.2 病害概况

2009年5月，设备管理单位发现车载添乘仪在桥梁上多次出现超限报警，且列车通过时人体可感桥梁、桥墩明显的晃动。设备管理单位及桥梁检定单位对该桥进行了病害普查及检定试验。

1)实测梁跨中横向振幅超出《铁路桥梁检定规范》中通常值以及行车安全限值，最大振幅值达8.49 mm，超出行车安全限值(0.89 mm)854%［1-2］。

2)实测256～261号桥墩墩顶横向振幅较大，分别为 7.05 mm，7.96 mm，6.27 mm，4.51 mm，3.67 mm 和4.22 mm;全部21个测次的横向振幅的平均值分别为4.85 mm，5.60 mm，5.21 mm，3.59 mm，2.98 mm，2.64 mm。

3)实测256～261号桥墩自振频率在1.81～2.00 Hz之间，各墩自振频率见表1。

表1 桥墩实测自振频率 Hz

4)60%的桥墩(201个)墩柱在距基础顶面2 m范围内出现了0.1～0.5 mm的水平环向裂缝。

2 病害原因分析

2.1 桥梁检定结果分析

1)墩顶横向振幅达7.96 mm，虽然《铁路桥梁检定规范》对双柱桥墩墩顶最大振幅没有规定，但该桥墩顶最大振幅已是相似外观尺寸桥墩通常值(0.39 mm)［1］的 20 倍。

2)结构自振频率是反映结构刚度的特征值。现行规范对双柱桥墩的自振频率没有明确规定，参考《铁路桥梁检定规范》中实体中高墩自振频率的计算公式

式中 f——自振频率(Hz);

α3——地基特征系数，取 0.8;

B——桥墩的平均宽度(m)，根据257号墩的实际尺寸，取2.3 m(见图1);

H1——墩高(m)，根据257号墩的实际尺寸，取6.62 m。

计算得257号墩的最小自振频率为4.40 Hz。

可见257号墩的实测自振频率远小于相似桥墩自振频率通常值。在其他条件相同的情况下，自振频率小的桥墩其墩顶必然会有比较大的振幅。

2.2 理论分析

图1 双柱墩轮廓示意(单位:cm)

由于实测桥墩自振频率远小于类似桥墩自振频率通常值，有必要对桥墩自振频率进行计算，分析理论计算值与实测值之间的关系，以便制定加固方案。

对双柱墩自振频率的计算采用有限元计算方法。按两种计算假设考虑:①将墩柱基础视为与地基固结，不考虑地基压缩对桥墩自振的影响;②将基础视为弹性地基梁，考虑地基弹性压缩对桥墩自振的影响。

由于只分析桥墩的横向振动，故将桥墩简化为平面刚架，用 BEAM3二维梁单位模拟墩柱、盖梁及基础。

用MASS21质量单元模拟上部结构作用在墩顶的质量，每孔梁的质量按照45 t(8 m钢筋混凝土梁)计，桥上线路及附属设施的质量按3.5 t/m计。

用COMBIN14弹簧单元模拟弹性地基。弹性地基按照文克尔假设的分析方法［3］进行计算，即

式中 P——地基单位面积压力;

k0——地基系数，根据现场地质勘察资料［4］并参照文献［3］取1.5×104kN/m3;

y——地基沉陷量。

地基弹簧单元的弹性系数按下式计算

式中 k——弹簧单元的弹性系数;

A——弹簧的作用面积(根据基础单元的大小计算)。

以257号墩为例，利用有限元分析软件计算得两种计算假设的振动模态如图2。

图2 桥墩一阶(横向振动)振动模态

计算得桥墩一阶振动(横向振动)频率见表2。

表2 桥墩加固前自振频率计算值 Hz

与实测桥墩自振频率比较表明，按弹性地基考虑计算所得的自振频率与实测值接近，而把桥墩看成与地基固结计算所得的自振频率与实测值相差很大，不能反映桥墩的真实自振特性。可见，修建在软弱地基上的桥墩，地基对桥墩整体刚度的影响是比较大的。

通过以上分析可以认为该桥异常晃动主要是由以下几方面原因引起的:①双柱墩截面较小、基础埋深浅整体刚度弱;②桥墩基底为粉砂类土，地基承载力低，虽然建桥时进行了强夯处理，但处理深度较小［1］，加之通过总重的逐年增加，在列车活载的反复振动作用下，地基饱和砂土孔隙水的存在，土体有效压力难以提高，地基弹性压缩大;③列车长期冲击振动导致墩柱产生水平裂缝，更加削弱墩柱的整体刚度。

3 加固方案

3.1 方案比选

1)加固双柱桥墩墩身方案。在既有墩柱外侧包箍混凝土，将双柱桥墩改造为实体桥墩。

2)加固基础方案。采用长10 m的旋喷桩对基础进行加固，并对既有扩大基础按照构造要求向外扩大50 cm。旋喷桩对地基的加固可以认为是对地基的置换，加固后地基系数取10×104kN/m3。

3)综合采用以上两种加固方案。同时采用以上两种既加固墩身又加固基础的方案进行加固。

按照以上三种加固方案对墩身自振频率分别进行计算，计算方法与2.2条相同。计算自振频率与加固前自振频率对比见表3。

表3 加固前后自振频率计算比较 Hz

由表3可以看出，单纯加固墩身或基础，桥墩自振频率虽有所提高，但提高幅度不大，不能满足《铁路桥梁检定规范》要求;采用方案三加固后，桥墩自振频率提高很大，是加固前的2.7倍，且能够满足《铁路桥梁检定规范》要求。

3.2 方案选定

根据以上对各种方案的比较，拟在不中断列车运营的条件下，通过加大双柱桥墩截面尺寸、提高地基承载力等措施提高桥墩的整体刚度，改善梁体的约束条件，最终达到提高桥梁整体刚度的目的［5］。

具体实施方案如下:

1)在既有双柱墩外侧包箍厚25 cm混凝土，改造双柱墩为实体桥墩，见图3。

2)沿扩大基础外沿施作一圈旋喷桩，旋喷桩桩长为10 m，基础同时向外扩大50 cm，见图4。

图3 墩身加固示意(单位:cm)

图4 基础加固示意(单位:cm)

3)更换剪切变形严重的橡胶支座;

4)增设橡胶支座梁端限位装置。

4 加固效果

该桥按上述方案加固后，桥检单位对该桥的振动情况进行了检测，这次共检测桥墩44个，梁跨9孔，其中254～260号桥墩墩顶最大振幅及自振频率见表4。

表4 加固后实测墩顶振动

对比加固前后实测资料，加固后墩顶最大振幅约为加固前的十分之一，并且大振幅出现的频次远远小于加固之前;桥墩自振频率也由1.8 Hz提高到5.0 Hz，并与计算结果相吻合。检测结果表明加固思路正确，施工质量良好，达到了预期效果。

5 结语

在分析桥墩的自振频率时，如果扩大基础下为承载力较低的非岩石类地基，按弹性地基进行分析，能够取得与实测值较为一致的结果。桥梁抑振加固时应综合考虑梁体、墩身以及地基的相互作用，特别是坐落于软弱地基上的扩大基础，地基对桥梁的整体刚度的影响是明显的，对地基的加固不仅是为了提高其承载能力，也是提高其刚度的需要。

［1］魏树林，许光宏，罗锦章.新菏线跨京广特大桥振动异常的检定［J］.铁道建筑，2010(4):31-34.

［2］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号 铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［3］铁道第三勘察设计院.桥涵地基和基础［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［4］李俊，强士中，李小珍.地基系数的比例系数 m的确定［J］.铁道标准设计，2004(11):83-85.

［5］中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.