框格式横系梁托换既有铁路病害桥墩施工技术

文｜昆明铁路局工务处 崔庆宏

1 引言

水红铁路托摩地大桥建成于1998年，位于贵州省六盘水境内。该处桥梁位于R=450m圆曲线上，桥上线路纵坡-1.0‰，上部为8×24m预应力钢筋混凝土T型简支梁桥，下部采用150号片石混凝土圆端型实体桥墩，基础为1.5m桩基础，桥梁全长L=211m，均为摇轴式支座，原设计荷载为中-活载。

本次需托换整治的为6号桥墩，墩高28m。由于原施工墩身混凝土质量存在初始缺陷，建设时期曾通过扩承台、加桩及抱箍墩身加固等措施进行治理，运营至今病害加剧，已无法确保列车安全正常运行。

2 工程概况

设计在既有6号桥墩横向增设门式刚架桥墩，墩底设置承台和桩基础，墩顶沿桥梁横向既有顶帽及托盘外侧设置两道框格式预应力横系梁，形成框格横系梁门式刚架桥墩（以下简称“框格门式刚架墩”）。横梁顶面上采用千斤顶或钢轨束临时支撑既有24mT梁(封闭线路施工)，凿除既有桥墩顶帽后，采用工50C工字钢束梁纵桥向支撑于横梁上，将工字钢束梁与混凝土一起浇注，形成新的桥墩顶帽(绑扎钢筋、立模、浇注顶帽混凝土及强度形成，在封闭线路施工条件下施工)，采用既有支座永久支撑24mT梁。待6#墩托换完成后，废止及拆除既有6#桥墩。

框格门式刚架墩两侧墩柱对称布置，为群桩基础。其桥墩截面尺寸采用4×3m矩形桥墩，承台尺寸为7.3×5×2.5m矩形承台；各采用4根直径1.5m钻孔灌注桩，按嵌入式柱桩设计。框格式横系梁高2.5m，底部与墩柱设加腋5.5×2.5m，框格门架式刚架桥墩全高29.9m。本文着重介绍框格门式刚架墩高墩横系梁的施工技术及采用钢管桩施工方案稳定性验算。

3 框格式横系梁施工

3.1 门式刚架墩桥墩

托换墩框格式横系梁高2.5m，两横系梁各宽1.2m，净跨16.40m，下底高于承台26.9m，上顶比梁底面低1.0m。与矩形桥墩柱一起浇注，并与矩形墩柱固结，横系梁施工时中部预留钢筋接头施作新墩帽（既有墩帽重合）。

3.2 上部永临支撑体系

（1）门式刚架墩形成后，封锁线路，千斤顶分别在5#、6#、7#墩将两跨24mT梁顶升，利用横梁顶钢轨束临时支撑。凿除6#原桥墩顶帽至设计标高，用56C 工字钢束纵桥支撑并与预留钢筋一起绑扎、浇注混凝土，形成新的桥墩顶帽。

（2）临时支墩：为加强临时支撑的稳定性，降低临时支撑高度，在横梁上临时支撑 T 梁的位置处设置 600×70×50cm 钢筋混凝土支墩。桥梁施工完成后与板式顶帽一起浇注，整体形成600×480×100cm的桥墩顶帽。

（3）纵梁：在既有 T 梁支承垫石(即支座)对应位置设置 5 片一组 56 C 工字钢束梁(工字钢采用Q235q，工字钢束制作过程中预留支座螺栓孔位)，长3.4m，两端支撑于先期施工完成的墩柱顶横梁上，横梁支撑位置预埋20mm 厚钢板，与工字钢下翼缘焊接，用于浇注桥墩顶新设板式顶帽时增大施工过程中的安全储备，后期与顶帽混凝土一起浇注，形成桥墩板式顶帽。

（4）顶帽：用千斤顶或钢轨束梁在临时支撑既有 24mT 梁于横梁临时支撑块条件下，快速凿除既有桥墩顶帽部分混凝土并绑扎顶帽、支承垫石钢筋，然后立模，将纵桥向5片一组工56C 工字钢束梁采用钢筋混凝土一起浇注，形成横桥向6.00m，纵桥向3.40m，高1.00m 的桥墩顶帽，并与先期完成的横梁顶的临时支撑块连接为一整体，最终形成横桥向6m，纵桥向4.8m，高1m的桥墩顶帽，结合桥梁支座永久支撑24mT梁。

（5）待新的桥墩顶帽混凝土强度达到设计强度的75%后，恢复支座永久支撑24mT 梁，完成桥墩托换，设计强度的98%后恢复常速。一并拆除既有6号桥墩墩身、托盘及墩帽等构造物。

（6）转换既有T梁为临时支撑、凿除既有桥墩顶帽大约需要封闭线路2天。

3.3 外部临时支撑体系

由于横系梁距地面较高约27米，且桥下场地条件有限，若采用满堂支架施工杆件变形较大，整体稳定性较差，支架组装费时费工，施工期间存在一定风险。为加快工期减少对既有线运营干扰，通过研究计算分析采用钢管柱支撑，由墩顶用精轧螺纹钢筋下挂横梁现浇整体平台施工，更为安全有效。

横梁现浇支架主要由钢管立柱、牛腿预埋件、分配梁A、分配梁B及模板系统组成。钢管立柱采用Φ609×13mm钢管，支承在原桥墩承台上，横、纵桥向均布置两排，牛腿预埋件布置于新修桥墩矩形墩柱上；分配梁A采用2I56a型钢截面，沿纵桥向布置，支撑于钢管立柱及牛腿预埋件上；分配梁B位于横梁正下方，采用2I56a型钢截面，支撑于分配梁A上；模板系统由∠75×7mm角钢+5mm钢板组成；分配梁A与钢模板系统间采用100mm×100mm方木沿横纵向布设，利于过渡和调节。

4 横梁现浇支架平台受力验算

支架平台计算主要分为上部钢模板、横向分配梁，下部竖向钢管支撑及各杆件细部结构等，依据本设计施工图，《简明施工计算手册》及各现行相关规范计算。

4.1 计算荷载

本平台恒载主要为混凝土结构自重、施工荷载及模板自重等。此处混凝土容重按照26.25kN/m3考虑，施工荷载及模板自重按照7kPa考虑。

4.2 结构设计限值

由于本结构为临时工程，采用容许应力法计算。

Q235钢材允许应力值：容许弯曲应力：[σ]=170MPa；容许剪切应力 ：[τ]=100MPa。

4.3 钢模板计算

钢模板由∠75×7mm角钢+5mm钢板组成，∠75×7mm角钢最大布置间距为370mm，最大跨度为800mm，钢板最大净距220mm，横梁最大高度位置高为3.35m。

（1）5mm钢板计算

现取宽度为1mm钢板，按照单向板，采用连续梁模型对其进行检算：

（2）∠75×5mm角钢计算

钢模板计算结论：根据对钢模板强度、刚度、变形等计算均满足规范限值要求。

4.4 分配梁检算

分配梁A支撑于钢管立柱顶，采用2I56a型钢截面。本次分别梁及钢管立柱支撑采用有限元软件 MIDAS CIVIL建立整体模型计算所示：

验算结果

根据有限元计算分析，结果如表1所示。

4.5 钢管立柱检算

横梁立柱采用φ609×13mm钢管，柱高22.2m，最大自由长度8.0m。根据模型计算，立柱最大轴向力最大弯矩此处按压弯结构对立柱进行承载力检算。

4.6 牛腿预埋件检算

根据结构设计图，牛腿预埋件主要承剪力作用，受力原理为弯剪预埋件，现按照弯剪预埋件对预埋件进行结构检算。

根据模型计算，预埋件最大竖向剪力577kN，则最大弯矩115.4kNm，预埋件为弯剪预埋件，则预埋件所需最小锚筋截面面积为：

式中：顺剪力方向锚筋层数影响系数，此处锚筋为3层取0.9；锚筋受剪承载力系数，经计算取0.49；锚板弯曲变形的折减系数，由于此处牛腿上翼缘加强了锚板受拉区的弯曲刚度，故此处锚板可按无弯曲变形考虑，取1.0；外层钢筋中心线之间的距离，此处为0.3m；锚筋抗拉强度设计值，但不应大于300MPa。

预埋件共设12根Φ28钢筋，实际锚筋总截面积为7385mm2，故牛腿预埋件承载力满足要求。

4.7 结论

通过以上计算和分析，钢模板、分配梁、钢管立柱和钢管立柱连接系强度和稳定均满足要求，结构安全可靠。

表1 施工阶段分配梁A验算表

5 托换既有病害桥墩有效方法及施工措施

随着我国铁路建设事业高速发展，目前既有桥梁病害也突显上升趋势，既有线桥墩托换案例也屡见不鲜，为保证铁路安全运营减少干扰，对设计、施工而言能采取行之有效的措施更为重要，根据本次工程结合以往经验，对既有桥墩托换及施工改进后效果较为显著，其优点如下：

（1）采用框格式横系梁门式刚架墩对既有桥墩托换，结构简单有效，较传统采用军用墩、贝雷梁及支架等方案时，体系转换更为简便。

（2）框格式横系梁门式刚架墩纵横向刚度更好。

（3）采用框格式横系梁门式刚架墩并结合整体横梁现浇支架平台施工永临结构整体稳定性更好，并能有效缩短施工周期，控制既有线施工风险。

（4）该施工措施更适宜高墩置换。

（5）施工采用整体横梁现浇支架平台对桥下操作空间适应性更好。

6 总结

托摩地大桥6号桥墩病害整治工程采用框格式横系梁门式刚架墩托换，并结合整体横梁现浇支架平台的施工方案可行有效，经济适用，施工收到良好效果。目前该项目已施工完成，并通过竣工验收。该项目在施工过程中对既有线运营干扰控制卓有成效，创造一定经济及社会效益，可为以后类似工程提供参考。