某重载铁路特大桥双柱式桥墩加固效果试验研究

张 继 恩

(中国神华神朔铁路分公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

二十世纪七八十年代，轻型桥墩因为其外形轻盈美观、可减轻地基负荷以及施工速度快等优点得到广泛推广和应用，我国许多铁路桥梁都采用了轻型桥墩。由于当时列车运行速度低、运量小，桥梁的动力响应不大，梁与墩横向刚度不匹配的矛盾未显现出来。为提高铁路运输效率，我国大力发展重载铁路运输，增加轴重，采用长编组，从而大大增加载重量，实现超大运量之目的。随着列车轴重及运量增加，既有线的部分轻型桥墩出现横向振幅超限、横向自振频率偏小的现象，束缚了线路运输能力的提高[1]。

重载运输已成为国际公认的铁路货运发展方向，但既有铁路设计、施工时所依据的标准规范与当前的重载运输要求已不适应，所以如何通过加固设计以有效的提高既有铁路双柱式桥墩的横向刚度，是目前急需研究和解决的问题。

增加轴重并采用长编组后，作为轻型桥墩的双柱式桥墩，其横向抗弯刚度更显不足，这就要求对双柱式桥墩进行加固。因此，如何对加固效果进行运营性能试验及状态评判，对确保重载铁路运输安全有着重要的意义。

1 双柱式桥墩运营性能评判依据的确定

我国于1978年根据当时的铁路运行情况和桥梁状况制定了《铁路桥梁检定规范》，该规范中关于桥墩墩顶横向最大振幅和横向自振频率的参考限值。2004年，原铁道部基于多年提速试验的数据积累及科学分析研究，颁布了新的《铁路桥梁检定规范》[2]。相比于1978年旧规范，新规范针对基础与地基土的类型进行了更详细的分类，根据墩身构成、墩身尺寸、地基与地基土类型以及列车速度，桥梁墩顶横向振幅和横向自振频率限值计算也有更详细的规定。但是，无论是旧规范还是新规范，都未见对双柱式桥墩进行相关规定。

针对上述情况，该特大桥的跨中横向振幅依据文献[2]之标准进行评判，自振频率和墩顶横向振幅依据文献[4]中的参考限值进行评判。

2 工程概况与加固方案的确定

2.1 工程概况

某重载铁路拟开行30 t轴重列车，其中某特大桥为跨越河流桥梁，该桥共21孔，上部桥跨结构均为32 m普通高度预应力混凝土T梁，下部结构为双线双圆柱墩，基础为扩大基础。加固前桥墩及基础结构立面如图1所示。在日常养护检查过程中发现该桥横向晃动较为严重，已经影响到列车的安全正常运行，因此有必要进行加固。加固方案初步拟定为采用钢结构剪力撑加固或外包混凝土加固(高度分别为3 m，6 m，8 m，10 m和13 m)。

2.2 加固方案比选

根据该铁路上行重车、下行轻车的运营模式，结合开行30 t轴重的要求，桥梁结构的适应性评估和加固设计采用重轻两线不同标准，重车线采用ZH活载图示，按Z=1.2取值，下行轻车线荷载按既有中—活载设计标准取用。

采用有限元计算软件MIDAS/Civil分别建立桥墩加固前、采用钢结构剪力撑加固以及外包混凝土加固的整孔桥梁计算模型，计算C80车辆以一定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桥梁结构振动特性参数，对比分析不同状态下桥梁结构振动特性理论计算值，可得到如下数据分析结果：

1)加固前，桥墩跨中横向振幅与文献[2]中通常值较为接近，墩顶横向振幅值超过文献[4]相关限值，桥墩横向自振频率略大于文献[4]相关限值，表明加固前桥梁整体横向刚度较弱，桥墩横向刚度不满足使用要求。

2)若采用钢结构剪力撑加固方法进行加固，跨中横向振幅减小0.63 mm，跨中横向振幅抑制比达到25.51%；桥墩墩顶横向振幅减小0.38 mm，墩顶横向振幅抑制比达到28.15%；桥墩横向自振频率提高19.75%，加固后跨中横向振幅满足文献[2]要求，墩顶横向振幅及桥墩横向自振频率均满足文献[4]相关限值要求。

3)若采用外包混凝土加固方法进行加固，加固高度不同时，随着桥墩加固高度的增加，跨中横向振幅、墩顶横向振幅抑制比增加，但当加固高度达到8 m以后随着加固高度增加振幅抑制比增大趋势变缓，综合考虑加固引起基底应力增长情况，因此可得出结论：在加固高度为8 m时，加固方法效果最优。

4)对比钢结构剪力撑加固方法的计算数据和外包混凝土加固方法的计算数据(按该方法中的最优加高高度8 m计算数据为比较值)，采用加固高度为8 m的外包混凝土加固方法效果更优。

2.3 加固方案的确定

经过方案的比选，进一步计算确定了“1号桥墩加固高度为9 m，其余桥墩加固高度均为8 m”的加固方案。加固后桥墩及基础结构立面如图2所示。

为了确保加固效果，在加固施工过程中进行了十分严格的质量控制，要求加固区混凝土均采用C30混凝土，钢筋采用HRB400钢筋，其性能要求必须满足现行《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》之规定，加固过程中采用的植筋胶必须满足相关规范中对该类工程用胶的技术标准要求；杜绝使用不满足规范要求的植筋胶。

3 加固前桥墩运营性能试验

3.1 运营性能试验前的准备工作

做好试验前的准备工作，是决定运营性能试验能否成功的关键。为了从总体上掌握该特大桥的运用状态，首先收集了桥梁资料，包括桥梁勘察设计文件、施工过程资料、竣工文件、养护维修历史数据资料及以往检测资料等。为了更好地进行试验荷载设计、测点布置与测试数据对比，还全面收集整理了该特大桥上部结构与下部结构的基本几何尺寸、标高等数据。其次，为了做好试验方案编制工作，并做好现场试验配合工作，前往该特大桥现场对其进行了现场勘查，掌握了桥梁目前的实际状况，查明了桥上和两端线路技术状况、桥跨所处地的水文气象条件、现场试验条件。最后是做好试验方案的编制工作，选定合适的仪器设备，做好现场人员安排及实施计划，以确保试验工作能够安全顺利开展。

3.2 测点布置

根据桥梁现场情况，选取了该特大桥第2孔梁体及第1号～第4号墩为测试对象，对加固前桥梁结构进行运营性能试验，试验中测点布置纵向图如图3所示，试验测点横截面布置图如图4所示。

3.3 测试工况

目前该铁路运营的C64车辆作为我国最早运营重载敞篷列车的主要车型，主要运输煤炭、铁矿等大宗货物。C70型通用敞车是我国为适应重载运输的多种要求而设计制造的多用途敞车，该车为大宗货物运输主要车型。C80型重载车辆为我国2万t铁路重载运输的主力车型。本次运营性能试验主要测试工况为通过该铁路日常运营车辆的列车，即C64,C70,C80。

3.4 测试结果

1)跨中横向振幅分析。

按照文献[2]中桥跨横向刚度相关限值要求，计算确定该桥第2孔跨中横向振幅安全限值[Amax]5%=3.56 mm，货列重车实测跨中横向振幅通常值(Amax)5%=2.54 mm。各工况实测跨中横向振幅最大值统计表如表1所示。由表1中数据可知，在重载列车作用下，实测加固前桥跨跨中横向振幅最大值为2.38 mm，与文献[2]规定通常值2.54 mm较为接近，表明桥跨跨中横向振幅较大，对行车安全有一定影响。

表1 跨中横向振幅实测值 mm

2)墩顶横向振幅分析。

根据文献[4]中对双柱式桥墩墩顶横向振幅的通常值的限值的计算公式，计算确定该桥第1号～4号桥墩墩顶横向振幅通常值。其中第1号～4号桥墩墩顶横向振幅通常值分别为1.46 mm，1.22 mm，1.22 mm和1.22 mm。

表2 加固前实测墩顶横向振幅最大值 mm

加固前实测列车荷载作用下各桥墩墩顶横向振幅实测最大值统计如表2所示。由表2中数据可知，运营重载列车荷载作用下，实测加固前1号墩顶横向振幅最大值为1.42 mm，接近文献[2]中通常值1.46 mm；2号墩顶横向振幅最大值为1.25 mm，超过通常值1.22 mm；3号墩顶横向振幅最大值为1.27 mm，超过通常值1.22 mm；4号墩顶横向振幅最大值为1.29 mm，超过文献[2]规定通常值1.22 mm，这些实测数据充分表明各墩墩顶横向振幅偏大，各桥墩横向刚度已经无法满足重载运输需要。

表3 加固前横向自振频率实测值 Hz

根据文献[4]中关于双柱式桥墩横向自振频率通常值有关规定，第1号墩横向自振频率通常值为2.13 Hz，第2号～4号墩横向自振频率通常值为2.36 Hz。采用余振法对加固前桥墩横向自振频率进行分析，实测值统计如表3所示。由表3中数据可知，实测加固前桥墩横向自振频率1号墩为2.15 Hz，与文献[2]规定通常值2.13 Hz较为接近，2号墩为2.28 Hz，3号墩为2.25 Hz，4号墩为2.25 Hz，均小于按研究报告计算的通常值2.36 Hz，这些实测数据充分表明该特大桥的双柱式桥墩横向刚度已经无法满足重载运输需要。

4 加固后桥墩运营性能试验

加固后对桥跨及桥墩结构进行运营性能试验，实测测点布置及技术要求与桥墩加固前运营性能试验相同，主要测试第2孔桥跨结构及1号墩～4号墩振动参数。重载列车荷载作用下，该特大桥双柱式桥墩加固前后第2孔跨中横向振幅实测值随速度变化散点如图5所示。从图5可以十分明显地看出，在不同的速度条件下，加固后的跨中横向振幅远远小于加固前的跨中横向振幅，从总体直观看，加固效果较为明显。

运营重载列车作用下，实测加固后第2孔跨中横向振幅最大值为1.87 mm，小于文献[2]规定通常值2.54 mm，满足规范要求。采用外包混凝土加固后桥墩结构为下部圆端型板式墩上部为双柱式结构，在进行限值计算时，为偏安全考虑，采用文献[2]中限值要求计算桥墩墩顶横向振幅的通常值，1号～4号墩墩顶横向振幅通常值分别为0.74 mm,0.70 mm,0.70 mm和0.70 mm。

重载列车荷载作用下，加固后墩顶横向振幅最大值1号墩为0.58 mm,2号墩为0.62 mm,3号墩为0.52 mm,4号墩为0.56 mm，均满足文献[2]通常值要求。实测加固后1号墩横向自振频率为4.21 Hz,2号墩横向自振频率为4.35 Hz,3号墩横向自振频率为4.34 Hz,4号墩横向自振频率为4.34 Hz，均满足文献[2]限值要求。

通过对比分析加固前后桥跨跨中横向振幅、墩顶横向振幅、桥墩横向自振频率等振动参数，加固前桥墩横向刚度较弱，且部分桥墩墩顶横向振幅及横向自振频率不满足限值要求。采取外包混凝土加固方法，将双线双柱式桥墩部分加固为圆端型板式墩，加固后桥墩墩顶横向振幅及横向自振频率均满足要求，加固效果十分显著。

5 加固前后测试结果对比分析

表4 加固前后第2孔跨中横向振幅统计

加固前后实测值统计表如表4所示。由图5和表4中数据可知，实测加固前桥跨跨中横向振幅最大值为2.38 mm，与文献[2]规定通常值2.54 mm较为接近，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实测跨中横向振幅抑制比介于21.43%～31.15%之间，加固效果明显。

重载列车荷载作用下，该特大桥双柱式桥墩加固前后第1号～4号桥墩墩顶横向振幅对比见图6～图9。从图6～图9可以十分明显地看出，在不同的速度条件下，加固后的各墩墩顶横向振幅远远小于加固前的墩顶横向振幅，从总体直观看，加固效果较为明显。

加固前后1号～4号墩墩顶横向振幅实测值统计如表5所示。

表5 加固前后桥墩墩顶横向振幅统计(一)

加固后墩顶横向振幅最大值1号墩为0.58 mm,2号墩为0.62 mm,3号墩为0.52 mm,4号墩为0.56 mm，均满足文献[2]通常值要求，与加固前相比墩顶横向振幅抑制比达50.40%～59.15%，加固效果明显。

重载列车荷载作用下，加固前后第1号～4号墩桥墩横向自振频率实测值统计如表6所示。

表6 加固前后桥墩墩顶横向振幅统计(二)

实测加固后第1号墩横向自振频率为4.21 Hz、第2号墩横向自振频率为4.35 Hz、第3号墩横向自振频率为4.34 Hz、第4号墩横向自振频率为4.34 Hz。均大于文献[2]限值，横向刚度满足要求，与加固前相比，加固后第1号～4号墩横向自振频率提高近1倍，加固效果明显。

6 结语

通过对该特大桥加固前和加固后进行运营性能试验，分析各实测数据，可得出如下测试结论：

1)实测跨中横向振幅抑制比介于21.43%～45.79%之间；2)墩顶横向振幅抑制比介于50.40%～59.15%；3)加固后1号～4号墩横向自振频率提高近1倍。这就充分说明，前述确定的“第1号桥墩加固高度为9 m，第2号墩～4号桥墩加固高度均为8 m”的加固方案，加固效果十分明显，完全符合相关规范之规定，能满足目前重载运输需要。

[1] 朱利明，刘 华.铁路轻型双柱式桥墩改造研究[J].铁道建筑，2009(4):19-24.

[2] 铁运函[2004]120号,铁路桥梁检定规范[S].

[3] 李运生，阎贵平，钟铁毅.铁路实体桥墩横向振动规律[J].北京交通大学学报，2009，33(1):77-90.

[4] 李运生.铁路桥墩横向振动理论和实验研究[D].北京：北京交通大学，2004.