朔黄铁路双柱式轻型桥墩动载试验与强化改造方案研究

肖祥淋，蔡超勋，朱希同，马宏亮，赵海军

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350)

朔黄铁路双柱式轻型桥墩动载试验与强化改造方案研究

肖祥淋1，蔡超勋1，朱希同1，马宏亮1，赵海军2

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350)

对朔黄铁路上行线(重车线)上两座双柱式轻型桥墩(温塘河特大桥与崧杨岔河大桥)的动力性能进行了实测，测得了两座桥梁在试验列车作用下的动力响应。试验结果表明:温塘河特大桥及崧杨岔河大桥双柱式轻型桥墩实测墩顶横向振幅偏大，横向刚度偏弱，应尽快对振动过大的双柱式轻型桥墩进行强化改造。同时提出了3种强化改造方案，宜结合桥梁大修计划实施。

朔黄铁路 双柱式轻型桥墩 动载试验 横向刚度 横向振幅

朔黄铁路是我国西煤东运的重要通道，全线采用了97座墩高不等的双柱式轻型桥墩。据运营实践及现场调研，该类桥梁在开行长大编组列车与列车提速后，由于墩梁横向刚度不匹配，造成桥梁横向振动偏大，其中温塘河特大桥与崧杨岔河大桥尤为显著。按照神华集团公司的安排，为研究在朔黄线开行4× 5 000 t编组2万t组合列车的可行性［1］，2012年12月，选择了崧杨岔河大桥作为轻型桥墩结构进行试验;为提高朔黄铁路部分区段的限制速度，研究重载列车速度由70 km/h提高至75 km/h的可行性［2］，2013年6月，选择了温塘河特大桥作为轻型桥墩结构进行试验。本文通过测试试验编组列车及运营列车作用下桥梁结构的动力响应，分析评估了该类桥墩在长大编组及提速列车条件下的适应性，并提出了该类桥墩横向刚度的强化改造措施。

1 试验概况

1.1 试验内容

主要测试项目:梁体自振频率;桥墩横向自振频率;梁体跨中横向振幅;板式橡胶支座横向动位移;墩顶横向振幅;列车速度和位置。

1.2 试验桥梁

温塘河特大桥中心里程K232+125，双线桥，全长700.7 m。桥式为21×32 m预应力混凝土简支T梁 (图号为专桥2059)。桥梁采用盆式橡胶支座，支座横向中心距为1.80 m。梁体曾进行横向预应力加固。桥上重车线路为无缝线路，75 kg/m钢轨，Ⅲ型轨枕，全桥位于半径800 m圆曲线、长150 m缓和曲线及-6.0‰坡道上。全桥采用双柱式桥墩，基础为扩大基础，基底位于石灰砂岩层，桥墩全高均为17.27 m。测试第11#，12#，13#梁及11#，12#，13#桥墩。

崧杨岔河大桥，中心里程K269+642.37，双线桥，全长165.41 m。桥式为(1×24 m+4×32 m)预应力混凝土T梁，梁体曾进行横向预应力加固。桥上线路为直线、-4‰下坡，线间距4 m。采用盆式橡胶支座，固定支座设于黄骅港方向，支座的横向中心距为1.80 m。均为双柱式桥墩，基础为沉井基础，地基土由上到下分别为新黄土、卵石土、黏土、白云岩。1#，2#，3#墩全高分别为20.67，21.77，24.27 m。测试第1至第3孔梁及1#，2#，3#桥墩。

两座桥梁概貌与测点布置分别见图1与图2。

1.3 试验仪器

试验测试内容分为振幅、位移、应变与列车速度。振幅传感器采用国家地震局哈尔滨工程力学研究所生产的891-Ⅱ传感器与积分放大器;应变传感器采用日本KYOWA公司生产的KFW-5-120应变片与动态应变仪;位移传感器采用中国水利水电科学研究院生产的LVDT差动变压器式位移计与位移放大器;列车速度传感器采用永磁磁钢。各传感器通过数据电缆连接至动态数据采集分析系统进行试验物理量的测量。

1.4 测试列车

测试列车类型主要为C64，C70A，C80，列车编组形式有5000t，1万t及2万t3种，测试列车速度为54～78 km/h。

图1 两座桥梁试验现场概貌

图2 两座桥梁试验测点布置示意

2 测试结果及分析

2.1 双柱式轻型墩横向振动性能评判标准

铁路桥梁运营性能评判一般都依据《铁路桥梁检定规范》［3］(以下简称《桥检规》)执行。现行《桥检规》中关于墩顶横向振幅及桥墩横向自振频率通常值的相关规定不适用于双柱式桥墩。若采用桥墩横向刚度一致，等效计算得出测试桥墩横向宽度为5.33 m，则温塘河特大桥11#—13#桥墩自振频率通常值(等效计算)均为3.88 Hz，墩顶横向振幅通常值(等效计算)均为0.58 mm。崧杨岔河大桥1#—3#桥墩自振频率通常值(等效计算)分别为4.37，4.17，3.40 Hz，墩顶横向振幅通常值(等效计算)分别为0.50，0.53，0.70 mm。

对于墩顶横向振幅及桥墩横向自振频率限值，参考北京交通大学《铁路桥墩横向刚度问题研究总报告》［4］关于双线双柱墩的规定进行计算。

墩顶最大振幅

桥墩横向自振频率

式中:B为轻型墩两肢横向宽度之和;H1为墩高。

实测温塘河特大桥11#—13#桥墩横向自振频率分别为2.83，2.83，2.82 Hz。通过式(1)计算得出测试桥墩11#—13#桥墩墩顶横向振幅通常均为1.03 mm。实测崧杨岔河大桥第1#—3#桥墩墩梁跨体系横向自振频率分别为3.25，3.00，2.00 Hz;通过式(1)计算得出测试桥墩1#—3#墩顶横向振幅通常分别为0.79，0.92与1.80 mm。按式(2)计算得出的温塘河特大桥11#—13#桥墩自振频率通常值均为2.25 Hz，崧杨岔河大桥1#—3#桥墩自振频率通常值分别为2.70，2.52，1.82 Hz。

从两种评判方法来看，双柱式轻型桥墩按横向刚度等效的方式，参考《桥检规》的规定得出的桥梁自振频率和墩顶横向振幅通常值均与文献［4］关于双线双柱墩桥墩自振频率和墩顶横向振幅通常值有很大的差异。值得指出的是，文献［4］中桥墩自振频率与墩顶横向振幅通常值采用了包括中国铁道科学研究院、沈阳铁路局桥检队、北京交大等科研院所大量的实测数据，经理论分析拟合得出的，该通常值与双柱式桥墩的实际运营实测值关系密切。因此，从统计实测值的角度来说，双柱式轻型桥墩相对于圆端型等其他类型桥墩结构，横向刚度偏弱，其横向振动相对偏大。

2.2 自振频率

采用环境微振动法测试两座桥梁自振频率。实测温塘河特大桥墩梁体系11#—13#墩横向自振频率分别为2.83，2.83，2.82 Hz。实测崧杨岔河大桥第1#—3#桥墩横向自振频率分别为3.25，3.00，2.00 Hz。

2.3 梁体横向振幅

C64，C70，C80三类货列重车作用下，实测温塘河特大桥第11孔梁体跨中横向振幅最大值分别为1.14，1.52，1.27 mm，第12孔梁体跨中横向振幅最大值分别为1.10，1.42，0.89 mm，第13孔梁体跨中横向振幅最大值分别为1.45，1.16，0.86 mm，均在《桥检规》货列重车通常值2.54 mm(v≤80 km/h)的范围内。第12孔梁体跨中横向振幅与行车速度的关系曲线如图3所示。

图3 温塘河特大桥第12孔梁体跨中横向振幅与速度关系

C64，C70，C80三类货列重车作用下，实测崧杨岔河大桥第1孔梁体跨中横向振幅最大值分别为0.94，0.90，1.15 mm，均在《桥检规》货列重车通常值1.90 mm(v≤80 km/h)的范围内。

2.4 桥墩墩顶横向振幅

在C64，C70，C80三类货列重车作用下，实测温塘河特大桥11#墩顶横向振幅最大值分别为0.46，0.62，0.58 mm;12#墩顶横向振幅最大值分别为0.75，0.81，0.38 mm;13#墩顶横向振幅最大值分别为0.36，0.36，0.31 mm。12#桥墩墩顶横向振幅与行车速度的关系曲线如图4所示。

在C64，C70，C80三类货列重车作用下，实测崧杨岔河大桥1#墩顶横向振幅最大值分别为0.61，0.76，0.30 mm;2#墩顶横向振幅最大值分别为0.97，0.97，0.61 mm;3#墩顶横向振幅最大值分别为0.99，1.04，0.83 mm。2#桥墩墩顶横向振幅与行车速度的关系曲线如图5所示。

2.5 支座横向位移

实测温塘河特大桥第13孔梁支座横向位移最大值为0.32 mm;崧杨岔河大桥第1孔梁活动支座横向位移最大值为0.18 mm。两桥支座横向位移均满足《桥检规》不应超过±2 mm的要求。两座桥梁梁体横向振幅偏大与支座横向位移及梁端横向限位关系不大，其主要原因是双柱式轻型墩横向刚度偏弱。

图4 温塘河特大桥12#桥墩墩顶横向振幅与速度关系

图5 崧杨岔河大桥2#墩顶横振与速度关系

3 强化改造方案研究

从动载试验及运营实践来看，双柱式桥墩横向刚度偏弱，列车通过时，桥梁横向振动偏大。限速虽能降低横向振动，但对运营带来了较大的影响。建议对双柱式轻型桥墩进行加固处理，以提高桥墩横向刚度，满足正常运营需求。参考国内相关研究与大秦等铁路桥墩加固实践［5-6］，加固方案可按如下设计。

加固方案1。如图6(a)所示，即在双柱式墩柱之间增设型钢剪力撑。首先在双柱墩的上下端设置4个刚性箍，通过高强螺栓将其卡死在圆柱墩上，然后通过焊接安装300 mm×300 mm×6 mm×8 mm H形型钢剪力撑。该加固方案加强了双柱式轻型桥墩横向整体性能，可提高桥墩横向刚度。

加固方案2。如图6(b)所示，首先在双柱墩之间增设两道横向劲性型钢连接，然后在双柱式墩、盖梁和扩大基础之间浇筑厚为40 cm的微膨胀钢筋混凝土，即把原来的双柱式墩变为哑铃形墩。该加固方案加强了双柱式轻型桥墩横向整体性能，可提高桥墩横向刚度，但在一定程度上增大了桥墩竖向荷载，应检算桥墩基础承载能力是否满足规范要求，必要时对桥墩基础进行加桩，或增加扩大基础尺寸。

加固方案3。如图6(c)所示，在双柱式桥墩墩柱中部加设横向钢筋混凝土结构，加设钢筋混凝土与原桥墩采用植筋、粘结胶处理，加强双柱式轻型桥墩横向整体性能，提高其横向刚度。

图6 双柱式轻型桥墩强化改造方案

4 结论

1)从统计实测值的角度来说，双柱式轻型桥墩相对于圆端型等其他类型桥墩结构，横向刚度偏弱，其横向振动相对偏大。

2)两座桥梁梁体横向振幅偏大与支座横向位移及梁端横向限位关系不大，其主要原因是双柱式轻型墩横向刚度不足。

3)提出了3种强化改造方案，均可有效提高桥墩横向刚度，建议结合桥梁大修计划实施，并进行加固效果试验。

［1］中国铁道科学研究院.朔黄铁路4×5000吨编组2万吨组合列车综合试验报告［R］.北京:中国铁道科学研究院，2013.

［2］中国铁道科学研究院.朔黄铁路重载列车提速综合试验［R］.北京:中国铁道科学研究院，2013.

［3］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.

［4］北京交通大学.铁路桥墩横向刚度问题研究总报告［R］.北京:北京交通大学，2004.

［5］荆龙江，王志坚，马林，等.大准线万泉河大桥桥墩加固设计与分析研究［J］.铁道建筑，2010(6):7-9.

［6］柯在田，盛黎明，张煅.铁路桥梁设计应注意梁—墩横向刚度的合理选择［J］.铁道标准设计，2001，12(3):5-6.

Dynamic loading test research for light double-column piers of bridge on Shuozhou-Huanghuagang railway and its strengthening and reconstructing scheme

XIAO Xianglin1，CAI Chaoxun1，ZHU Xitong1，MA Hongliang1，ZHAO Haijun2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China)

T he dynamic performance of light double-column piers of bridge on heavy haul line was tested on W entanghe bridge and Songyangchahe bridge on Shuozhou-Huanghuagang railway.T he dynamic response of the two bridges under test train operation was measured.T he test results indicated that the lateral vibration amplitude at the top of the piers was relatively large，and the lateral stiffness was relatively weak.T he corresponding strengthening and rehabilitation shall be conducted.T hree strengthening and rehabilitation plans were proposed.It is suggested that these plans be carried out with consideration of the bridge maintenance plan.

Shuozhou-Huanghuagang railway;Light double-column piers of bridge;Dynamic loading test;Lateral stiffness;Lateral vibration amplitude

U446.1;U445.7+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.01

1003-1995(2015)02-0001-04

(责任审编孟庆伶)

2014-06-05;

2014-09-18

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00)

肖祥淋(1981—)，男，福建三明人，助理研究员。