邯长铁路柔性墩加固设计与研究

蒋成强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

邯长铁路柔性墩加固设计与研究

蒋成强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

邯长线柔性墩加固时要求不能停车施工,大量柔性桥墩的加固改造及实施方案成为设计工作的重点和难点。通过对不加临时墩等辅助措施直接立模板施工桥墩的理论分析研究,确定了桥墩加固时需架设临时墩的施工步骤,以及临时墩设计、墩身加固、基础加固等措施。

柔性墩;加固方案;临时墩;施工步骤

1 概述

柔性墩桥是把几孔简支梁及其墩台,用适当的措施连接起来,形成多跨的门式结构,以共同承受桥上传来墩顶的水平力,此水平力按桥墩的刚度分配,因此可以显著地减少柔性墩所承受的水平力,而使大部分水平力传往刚性墩,从而使柔性墩的截面尺寸及圬工量减少,以达到降低全桥造价的目的。柔性墩桥结构计算图式如图1所示,图中未注明者为柔性墩及固定支座。

图1 柔性墩体系结构计算简图

柔性墩有一定的使用范围,《铁路柔性墩桥技术规范》(TB10052—97)有关规定 “……适用于时速不大于120km的标准轨距铁路,但不包括无缝线路地段”,《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)以下(简称《桥规》)有关规定“通常可采用实体墩台及厚壁空心墩,不得采用柔性墩、耳墙式桥台和轻型结构”。为提高运量扩大运能,邯长线全线需铺设无缝线路轨道,柔性墩不再适用,需将柔性墩体系改造成普通简支梁体系。邯长线柔性墩纵向宽一般为0.8m左右,最小纵向尺寸仅为0.5m,桥墩整体水平线刚度及墩身强度均不满足相关规范要求,需对柔性墩墩身及基础进行加固。笔者对柔性墩加固设计方法及施工步骤进行了简要概述,并对柔性墩加固比较方案进行了理论证明。

2 不加临时墩等辅助措施直接立模板施工的可行性研究

由于邯长线客货运量大,不能停车施工。方案比选时曾提出能否不架设临时墩直接进行基础及墩身加固的方案,笔者对该方案进行了理论论证。

不架设临时墩直接加固的步骤为:先加固基础再分层加固墩身。计算时将柔性墩简化成单墩模型,先计算出墩身及基础的整体水平刚度,计算出实际工况下水平位移,用刚度乘以位移得出墩顶水平力,再进行墩身截面验算(按偏压杆件计算)。

墩顶位移主要由以下几部分组成。

(1)制动力产生的水平位移,由制动力/总刚度即可得到,各墩位移相等。

(2)垂直荷载作用下梁端转角引起的墩顶位移,转角按简支梁转角计算即可。公式如下

式中,yc为梁中性轴至梁底距离,m;θ为梁端转角,rad;q为换算荷载,kN/m;l为跨度,m;E为弹性模量,MPa;I为截面惯性距,m4。

(3)整体升降温引起梁伸缩变化进而引起的墩顶位移,根据以下公式计算

式中,Δ1、Δ2分别为同跨内两墩墩顶位移,m;K1、K2分别为同跨内两墩水平抗推刚度,kN/m;Δt为温差,℃;α为线膨胀系数;l为跨度,m;E为弹性模量, MPa;A为梁截面面积,m2。

(4)固定支座缝隙产生的墩顶位移,按《铁路柔性墩桥技术规范》(TB10052—97)取值。

基础加固完成后,基础刚度比墩身刚度显著增强,可将墩底视为固结进行计算。桥墩水平抗推刚度表示为:3EI/l3,假设某桥墩一次加固2m,桥墩抗推刚度增加,但是柔性墩体系中刚体墩的刚度要比柔性墩大很多,柔性墩加固2m对柔性墩体系整体刚度基本没有影响,故同种工况下加固前后墩顶位移基本不变。柔性墩墩身截面突变处弯矩可表示为:(l-2),由上式可知墩身加固越高,突变处截面受力越不利。

柔性墩设计中,单孔轻载、单孔重载、双孔重载等荷载组合控制设计。选邯长线中原沟中桥1号墩作为算例,按基础加固完成墩身未开始加固时,墩身加固2m时,墩身加固4m时分别计算,计算结果见表1～表3。

表1 基础加固完成墩底截面计算结果

表2 墩底加固2m后突变处截面计算结果

表3 墩底加固4m后突变处截面计算结果

既有墩身采用的原C20级钢筋混凝土,查《桥规》可知,混凝土容许压应力为7MPa,钢筋容许应力160MPa,墩身加固至4m高时,钢筋拉应力及混凝土压应力均超限。

根据以上理论推导及实例验证可知:不架设临时墩直接加固墩身方案不可行。

3 施工步骤及临时墩设计

本线要求不能停车施工,在进行桥墩加固时需架设临时墩。单个桥墩的加固次序为:

(1)加固基础施工;

(2)安装临时墩;

(3)顶梁、拆除既有支座、安装临时支座;

(4)墩身及托盘加固;

(5)安装新支座。

临时墩采用钢管支撑结构,4根钢管为主要受力构件,立在加固后承台的四角,钢管外径0.7m,壁厚0.02m。钢管之间用工字钢连接,见图2、图3。

图2 临时墩平面(单位:cm)

图3 临时墩立面(单位:cm)

为了材料的重复使用及施工方便,将临时墩设计成4m一节,底部设调节段,在具体工点施工时直接拼装即可。

临时墩支撑混凝土梁采用纵横梁体系,即下横梁锚固在钢管顶部,纵梁紧贴混凝土梁锚固在横梁上,上横梁从支承垫石与梁底之间穿过下锚在纵梁上。

4 墩身加固

邯长线柔性墩墩高大部分在25m以下,本设计统一加固成等截面矩形桥墩。柔性墩横向尺寸较大,横向刚度满足现行规范要求,不需要加强,但是为了满足新旧混凝土连接需要,本设计将横向两侧各加大0.3m。柔性墩纵向尺寸较小,最小仅为0.5m,纵向加固是柔性墩加固的重点,加固尺寸需严格计算。选取具有代表性的地质资料按多种荷载组合进行墩身截面验算(按偏心受压杆件),验算截面为墩顶、墩中、墩底。采用铁三院桥梁处软件RBCAD进行墩身内力计算,ASC程序进行截面检算,经多次试算后得出如下结论:墩身高≤15m,加固后截面纵向宽2m;15m＜墩身高≤20m,加固后截面纵向宽2.4m;墩身高＞20m,加固后截面纵向宽2.6m。墩身纵向加固轮廓图见图4。

图4 墩身纵向加固轮廓(单位:cm)

为加强墩身新旧混凝土的连接,需将既有墩身凿开,短钢筋焊接在既有主筋上。竖向焊接位置为既有箍筋的中间位置。也可以采用植筋的方式来加强新旧混凝土的连接,考虑到植筋费用昂贵,邯长线未采用。连接示意图如图5所示。

图5 新旧混凝土连接示意

5 基础加固

柔性桥墩基础一般为明挖基础、挖井基础、桩基础,出于安全和施工可行性的考虑,本线基础统一加固成桩基础,以纵向2排横向3排6根桩为主,桩边缘距既有基础边缘不得小于20cm。加固后桥墩纵向水平线刚度需达到300kN/cm。

加固承台包住既有基础时,采用植筋的方式增加新旧混凝土连接,植入深度及植筋间距需根据相关规程计算确定。植筋钻孔要求使用专用的电钻和钻头,以减少对既有结构的破坏。植筋前将钻孔清理干净,注入植筋胶,植入钢筋。

为减少对既有基础的扰动,采用钻孔桩施工,且钢护筒跟进长度不低于5m。当既有基础为明挖基础时,为保证施工安全,防止既有墩倾斜,加固承台底高出既有基础底至少30cm。

6 施工注意事项

既有线柔性墩在既有结构上进行加固,而且是在列车运营振动状态下施工。施工中应针对上述情况对混凝土的原材料选用、配合比参数确定、浇筑、振捣、养护、植筋等各环节进行严格控制,避免发生裂纹等问题,确保柔性墩加固工程质量。

新旧混凝土连接时应先凿毛、清洗干净后再立模灌注混凝土。

开工前与运营部门联系,采取必要的安全措施,施工期间,列车应限速,速度值根据临时墩承载力计算确定。

墩身加固过程中加强对既有桥墩墩顶偏移和沉降的观测,发现异常及时采取应急预案防护。

7 结语

以邯长线柔性墩加固为背景,详细介绍了墩身、基础的加固方法,并对相关难点进行了理论论证,为以后的柔性墩加固设计与研究工作起到了铺垫作用。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[3] 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.

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[6] 中华人民共和国铁道部.TB10052—97 铁路柔性墩桥技术规范[S].北京:中国铁道出版社,1997.

[7] 孙国钧,王卫东.浅基桥墩加固技术[J].桥梁建设,2004(3): 73 -76.

[8] 吴斌.浅谈西安至南京铁路桥梁加固[J].交通科技,2008(S1).

[9] 周恩海.铁路轻型桥墩横向刚度加固设计与研究[J].铁道建筑, 2006(5):5 -8.

[10]许建平.既有铁路桥墩横向刚度加固试验研究[J].铁道标准设计,2010(11):68 -70.

[11]丁阳.钢结构设计原理[M].天津:天津大学出版社,2004.

Strengthening Design and Study on Flexible Pier of Handan-Changzhi Railway

JIANG Cheng-qiang
(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Because the traffic of Handan-Changzhi Railway could not be interrupted when strengthening the flexible piers,the strengthening and renovation and implementation plans for a large number of flexible piers become to be the key points and difficult points in design.Firstly,the paper analyzes the construction with the formworks without the temporary piers.Afterwards,the construction procedure of pier strengthening which needs to erect the temporary piers is determined.Also,the temporary pier design,pier shaft strengthening,foundation strengthening and other measures are determined.

flexible pier;strengthening scheme;temporary pier;construction procedure

U443.2

A

1004 -2954(2012)12 -0061 -04

2012 -08 -30

蒋成强(1982—),男,工程师,2009年毕业于兰州交通大学桥梁与隧道工程专业,工学硕士,E-mail:jiangcq06@163.com。