重载运输条件下双线双柱式桥墩横向刚度加固方法

黄先国（朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁　062350）



重载运输条件下双线双柱式桥墩横向刚度加固方法

黄先国
（朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁062350）

摘要随着重载列车轴重增大、编组增加，朔黄铁路现役桥梁中部分双线双柱式桥墩出现墩顶横向振幅偏大、桥墩横向刚度偏弱的现象，影响行车安全。本文采用有限元分析结合现场振动试验的方法，对朔黄铁路一特大桥双线双柱式桥墩加固方法进行研究。结果表明:将双线双柱式轻型墩加固为圆端形板式墩，当加固高度为墩高的60％时，墩顶横向振幅抑制比达到45. 67％；当加固高度超过墩高的60％后，随着加固高度的增加，墩顶横向振幅降低幅度不明显。采用增大墩身截面积的方法加固双线双柱墩时，应合理优化加固高度。

关键词重载铁路；桥墩；横向刚度；加固

双线双柱式桥墩是一种轻型桥墩，其外形轻盈美观、圬工量少、自重轻，可减轻地基负荷，节省基础工程，施工方便快捷［1］。但是该类桥墩纵横向刚度差，在列车横向作用较大时，易产生横向振动偏大的问题。随着重载列车编组增加、轴重增大、运营密度增大［2］，双线双柱式桥墩出现墩顶及跨中横向振动偏大的现象，对行车安全造成威胁。因此，本文研究在重载运输条件下双线双柱式桥墩的加固方法。

1　工程概况

1. 1桥梁概况

朔黄铁路一特大桥全长700. 66 m，由21孔32 m预应力钢筋混凝土简支T梁组成。桥墩为双线双柱式轻型桥墩，墩身采用C20钢筋混凝土。基础为扩大基础，采用C15钢筋混凝土浇筑。日常巡检时，发现部分桥跨横向振动过大。为降低跨中及墩顶横向振幅，增加桥梁的横向刚度，保证行车安全，拟对桥墩及基础进行加固。为分析加固措施及加固效果，选取了该桥第2孔及1#～4#桥墩进行振动特性试验。

1. 2桥墩加固措施

加固前，桥墩为双线双柱墩，墩柱直径为2. 2 m，墩柱中心距为4. 2 m，加固前桥墩及基础立面见图1（a）。为增加桥墩横向刚度，拟采用圆端形板式墩的加固方法。桥墩加固部分圆端形截面长6. 8 m，圆端半圆直径为2. 6 m，加固后桥墩及基础立面见图1（b）。

图1　桥墩立面（单位：cm）

桥墩加固前应先凿除原墩身表面混凝土并探明钢筋位置，然后植入锚固钢筋。墩身新旧混凝土接触面锚固钢筋植入深度为20 cm，植筋过程应避免损伤原桥墩主筋。植筋完成后绑扎加固区钢筋，安装模板，加固区采用C30混凝土浇筑。

2　有限元分析

2. 1模型的建立

为寻求合理的加固措施，选取2#桥墩为研究对象，建立包括上部结构在内的整体模型，进行有限元分析计算。加固前该桥上部桥跨结构为32 m预应力混凝土T梁，采用盆式橡胶支座，支座固定端设于黄骅港方向，2#桥墩为双线双柱墩，墩高为13 m，基础为扩大基础。提出将双柱式墩部分加固为圆端形板式墩，按照加固高度3，6，8，10，13 m（墩全高）分别建立不同加固高度的桥梁结构有限元分析模型。计算C80重载列车以70 km/h的速度通过桥跨结构时桥跨跨中横向振幅、墩顶横向振幅、桥墩横向自振频率等振动特性，分析各振动特性随加固高度的变化情况，通过对比分析确定合理的加固高度。

为了更加准确地模拟桥墩振动特性，采用实体单元模拟桥墩和基础，采用梁单元模拟上部T梁，采用节点弹性支撑模拟基础的约束情况。弹性支撑刚度由地基实际情况及分析模型中基础的单元大小确定。梁单元与实体单元之间采用弹性连接进行模拟，弹性连接刚度根据支座特性进行设置。

模型中以节点动荷载模拟车辆荷载，所施加的节点动荷载包括竖向荷载F和横向摇摆力Fs，Fs的取值为F的1 /3［3］，列车节点移动荷载如图2所示。C80重载列车轴重F为250 kN，Fs为83. 3 kN，l1为1. 83 m，l2为6. 37 m。

图2　列车移动节点荷载

结构时程分析采用振型叠加法，其基本思想是利用结构自由振动的振型，将结构的动力学方程组转化为对广义坐标的非线性耦合方程，然后单独求解各方程，最后求得各振型的响应后再进行线性组合以得到结构总体响应［4］。

2. 2加固效果分析

通过有限元分析可知，加固前后桥跨结构振型一致，一阶振型为纵向振动，三阶振型为横向振动。加固前后桥梁跨中及墩顶横向振幅计算值见表1。《铁路桥梁检定规范》［5］中关于桥墩墩顶横向振幅的相关规定不适用于双柱式桥墩，故参照北京交通大学《铁路桥墩横向刚度问题研究总报告》［6］中关于双柱式桥墩墩顶横向振幅通常值有关规定，计算该墩顶横向振幅通常值为1. 22 mm，按照《铁路桥梁检定规范》中对桥梁结构的跨中横向振幅限值有关规定，计算该孔跨中横向振幅通常值为2. 54 mm。

由表1可知，桥墩加固前桥跨跨中的横向振幅为2. 47 mm，与规范规定通常值2. 54 mm很接近；桥墩墩顶横向振幅为1. 35 mm，超过规范规定通常值1. 22 mm，表明桥墩横向振动偏大，横向刚度较弱。

当桥墩加固高度为8 m时，桥跨跨中横向振幅为1. 65 mm，墩顶横向振幅为0. 73 mm；当加固高度为13. 00 m时，桥跨跨中横向振幅为1. 58 mm，墩顶横向振幅为0. 66 mm，均满足规范要求。桥梁跨中横向振幅和桥墩墩顶横向振幅随墩身加固高度增加而逐渐减小，当加固高度超过8 m后墩顶横向振幅降低幅度较小。

参照文献［6］中关于双柱式桥墩横向自振频率通常值有关规定，计算该墩顶横向自振频率通常值为2. 36 Hz。随着桥墩加固高度不同，桥墩横向自振频率计算值见表2。

表1　桥梁跨中及墩顶横向振幅计算值

表2　桥墩横向自振频率计算值

由表2可知，加固前桥墩横向自振频率计算值为2. 38 Hz，与通常值2. 36 Hz接近，表明桥墩横向自振频率偏小，横向刚度较弱。墩身加固高度为8 m时桥墩横向自振频率计算值为3. 08 Hz，远大于通常值，与加固前相比提高29. 41％；桥墩加固高度为13 m时桥墩横向自振频率计算值为3. 23 Hz，与加固前相比提高35. 71％。随着桥墩加固高度的增加，桥墩横向自振频率增加比例逐渐减缓。

按照拟定加固方案，桥墩加固过程中加固高度每增加1 m，墩身混凝土量增加约8. 63 m3，桥墩自重及基底应力均增加8. 73％。当桥墩加固高度为8 m时桥梁跨中横向振幅抑制比达到33. 20％，加固高度为13 m时跨中横向振幅抑制比达到36. 03％，与加固高度为8 m时相比仅提高2. 83％。当加固高度为8 m时墩顶横向振幅抑制比达到45. 93％，加固高度为13 m时，墩顶横向振幅抑制比达到最大值51. 11％，与加固高度为8 m时相比仅提高5. 18％。但桥墩加固高度由8 m增加至13 m，墩身自重和基底应力均增加43. 65％。由此可知，桥墩加固高度为8 m时桥墩横向刚度提高值与基地应力增量比值最优，加固方案最合理。

3　振动特性试验分析

朔黄铁路公司于2015年对一特大桥双线双柱式桥墩进行加固，将部分墩高范围内加固为圆端形板式墩。为研究重载列车作用下双线双柱式墩振动特性，并对加固效果进行验证分析，分别于2014年10月和2015年8月对加固前后桥梁结构进行运行性能试验，采集运营重载列车通过时桥梁结构的振动参数。测试过程中，选取第2孔及1#～4#桥墩为测试对象，1#～4#桥墩墩高分别为14，13，13，13 m，加固过程中加固高度分别为9，8，8，8 m。测试中采用941B拾振器作为振动测试传感器，第2孔跨中布置横向振幅、横向加速度、竖向振幅、竖向加速度传感器，1#～4#测试墩墩顶沿纵向、横向分别布置1个振幅传感器。朔黄铁路现行重载列车主要为C64，C70，C80，本次测试列车行驶速度在53～73 km/h。

按照《铁路桥梁检定规范》中对桥梁结构跨中横向振幅限值的有关规定，计算该桥第2孔跨中横向振幅安全限值［Amax］5％为3. 56 mm，通常值（Amax）5％为2. 54 mm。加固前后运营重载列车作用下桥跨跨中横向振幅见表3。

表3　运营重载列车作用下桥跨跨中横向振幅

由表3可知，在运营重载列车作用下，加固前桥跨跨中横向振幅最大值为2. 38 mm，与规范规定通常值2. 54 mm接近，加固后桥跨跨中横向振幅最大值为1. 87 mm。与加固前相比，运营重载列车作用下跨中横向振幅抑制比介于21. 43％～45. 79％，加固效果明显。

参照文献［6］关于双柱式桥墩墩顶横向振幅通常值有关规定，计算1#墩顶横向振幅通常值为1. 46 mm，2#～4#墩顶横向振幅通常值为1. 22 mm。加固前后运营重载列车作用下墩顶横向振幅实测值见表4。

表4　运营重载列车作用下墩顶横向振幅实测值

由表4可知，运营重载列车作用下，加固前1#～4#墩顶横向振幅接近或超过规范通常值，表明加固前各墩横向振幅偏大，横向刚度不足。加固后墩顶横向振幅均满足规范通常值要求，与加固前相比墩顶横向振幅抑制比达48. 80％～59. 15％。实测数据表明，采用该方法加固后桥墩横向刚度提高较大，加固效果明显。

参照文献［6］关于双柱式桥墩横向自振频率通常值有关规定，1#墩横向自振频率通常值为2. 13 Hz，2#～4#墩横向自振频率通常值为2. 36 Hz。采用余振法对加固前后桥墩横向自振频率进行分析，实测值见表5。

表5　桥墩横向自振频率实测值

由表5可知，运营重载列车作用下加固前1#～4#墩横向自振频率实测值接近或小于规范通常值，表明加固前各墩横向自振频率偏低，横向刚度不足。加固后各墩横向自振频率均满足规范要求，加固后1#～4#墩横向自振频率提高近1倍，加固效果明显。

4　结论

本文以朔黄铁路中一特大桥双线双柱式桥墩为研究对象，通过有限元分析结合现场振动特性试验数据分析，对该类桥墩在重载列车作用下的横向振动特性及加固方法进行研究，得到以下结论：

1）与加固高度为墩全高相比，当桥墩加固高度为墩高的61. 5％时，桥跨跨中横向振幅与墩顶横向振幅抑制比可达到加固高度为墩全高时的90. 0％左右；桥墩顶横向自振频率提高值可达到加固高度为墩全高时的80％左右。

2）有限元分析及现场实测数据表明，采用将双柱式桥墩加固为圆端形板式墩的方法可以有效提高桥墩横向刚度，降低桥跨跨中及墩顶横向振幅，加固效果显著。但当加固高度超过一定高度后，桥墩横向刚度提高较少，同时会增大基底应力。因此采用该方法加固时，应合理优化墩身加固高度。

参考文献

［1］刘彦青.重载铁路桥墩运营性能研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2012.

［2］钱立新.世界铁路重载运输技术的最新进展［J］.世界轨道交通，2007（12）：20-23.

［3］曾庆元，郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论与应用［M］.北京：中国铁道出版社，1999.

［4］葛俊颖.桥梁工程软件midas Civil使用指南［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［5］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.

［6］李运生，阎贵平，钟铁毅.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.

（责任审编郑冰）

Reinforcing Method of Lateral Stiffness of Twin-Column-type Double-Track Bridge Pier Under Condition of Heavy Haul Railway Transport

HUANG Xianguo
（Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China）

AbstractW ith the increase of the establishment and the axle load of heavy haul train，there are going to appear the phenomena that the lateral amplitude of piers is too large and the lateral stiffness is too weak in part of twin-columntype double-track bridge piers，which will affect driving safety. T he reinforcement method of twin-column-type double-track bridge piers of Shuozhou-Huanghuagang railway was studied by finite element analysis with the test of field vibration in this paper. T he results show that when the reinforcement height arrives 60％of pier，the rejection ratio of lateral amplitude of pier will reach 45. 67％. W hen the reinforcement height exceeds 60％of pier，with the increase of reinforcement，the extend of the lateral amplitude of top pier decreases inconspicuously，so the reinforcement height should be optimized before adopting this method to reinforce this type of bridge piers.

Key wordsHeavy haul railway；Bridge pier；Lateral stiffness；Reinforcement

中图分类号U445. 7+2

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 04

文章编号：1003-1995（2016）06-0015-04

收稿日期：2016-03-21；修回日期：2016-04-27

作者简介：黄先国（1968—），男，高级工程师。