增补桩对重载铁路桥梁横向振幅影响研究

2020-07-16李峰帜

国防交通工程与技术 2020年4期

李峰帜

(朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350)

因其具有高效、环保、节能的突出特点，“货运重载”已经成为继“客运高速”后的我国铁路又一发展趋势[1]。桥梁作为重载线路的重要基础设备，在大轴重、多运量、高速度的重载条件下，其结构性能不断退化，各种病害出现并迅速发展，严重影响了运营安全，而扩能改造则是解决这一问题的第一手段。

在进行设备加固改造过程中，增补桩基法是墩台基础改造加固的重要手段，而如何确定增补桩基的数量、长度则是加固设计的首要问题[2]，为了设计科学合理的加固方案，需要从多方面进行深入研究。基于此，本文拟开展增补桩数量及长度对桥梁结构横向振幅的影响规律研究，以期为后续墩台基础加固设计提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

朔黄铁路磁河特大桥全长696.00 m，中心里程K277+541，桥跨为21孔32 m预应力混凝土简支T梁。该桥位于直线上，全桥均采用盆式橡胶支座，下部结构为圆端形桥墩，上下行桥墩分离，但是共用承台，除21#桥台外，各墩台均为摩擦桩基础。由于2016年7月河北省普降特大暴雨，上游水库泄洪，导致该桥8#～10#桥墩桩基裸露，严重危及行车安全，随后对该桥的6#～11#桥墩进行了基础加固处理。由于加固后承台尺寸变宽，过水面积减小，造成各桥墩冲刷深度均低于承台底，在运营性能试验中发现部分桥跨和墩顶横向振动太大。结合水文计算，对1#～5#、12#～20#墩承载力检算后发现基础承载力不足，均不能满足重载需要。基于提高基础强度、刚度以及稳定性目标出发提出了“增补桩基法+扩大基础法”。为分析基础加固措施及加固效果，选取其中一孔进行分析，考虑到已经加固桥跨以及边跨对桥梁运营性能的影响，故选取距离干扰因素最远的第16孔及15#～16#桥墩为代表进行研究。

1.2 桥梁基础加固

加固前，桥墩高2.5 m，承台厚2.0 m，平面为矩形，既有承台尺寸为4.0 m×8.4 m，基础为摩擦桩基础，上下行共8根桩，直径为0.8 m，墩身和基础均采用250号混凝土，加固前桥墩及基础立面如图1(a)所示。新加固承台底与既有承台底齐平，承台厚3.0 m，尺寸为：纵桥向8.0 m×横桥向12.4 m，桥墩高度变为1.5 m，增补桩基为钻孔灌注桩基础，采用逐桩施钻的方法以减小对既有桥的影响，桩基直径为0.8 m，承台采用C35混凝土，钻孔灌注桩采用C30混凝土。加固后桥墩及基础立面平面如图1(b)、图1(c)所示。

既有桥墩基础四周增补钻孔灌注桩，钻孔灌注桩采用逐根施工法，当前一根桩完成混凝土浇筑后，再施钻下一根桩。施工时应严格控制泥浆浓度，防止塌孔，墩身及承台新旧混凝土界面凿露出粗骨料，既有墩身及承台四周植入钢筋，植筋之前应对结构体内钢筋探测，尽量避免伤及钢筋，如发生干扰，适当移动钢筋位置，植筋完成后绑扎钢筋，固定型钢位置，支模板，浇筑承台混凝土。加固前、后桥墩及承台实景如图2所示。

图1 桩墩及基础加固前、后结构(单位：m)

图2 加固前、后桥梁实景

2 有限元分析

2.1 桩基础受力机理

外部荷载传至桩基后，在桩身将产生轴力、剪力与弯矩，导致桩基发生竖向、横向以及转角位移。桩基的竖向位移会引起桩侧摩阻力以及桩底竖向抗力；桩基的横向与转角位移将导致桩侧土水平抗力[3]。因此，土中桩受力后产生的内力和变形，不仅与桩身刚度有关，且与土的抗力大小有关。桩—土—承台相互作用共同承担上部结构的荷载，由于土是一种复杂的、多相的离散体系，很难将土所有特性考虑清楚来解决桩—土相互作用问题。

目前，工程中普遍采用简化的模型进行计算和分析。桩—土—承台相互作用的有限元简化模型，实际上是要把桩与土、承台与土的作用问题分开考虑，用竖向桩端弹簧与垂直于轴向的桩侧弹簧以及平行于桩的竖向弹簧模拟桩—土作用，采用承台底面地基弹簧模拟承台—土作用，桩身土弹簧和地基土弹簧相互独立，基于不同理论假设[4]。其中，桩—土作用基于竖向弹性地基梁法，承台—土作用基于温克尔地基模型的基床系数法。桩基受力简化模型如图3所示。

图3 桩—土—承台相互作用简化模型

2.2 有限元模型建立

桥梁有限元整体模型是依据磁河特大桥竣工图纸、基础加固图纸与地址勘测资料(土层参数见表1)，根据本文研究内容选用桥梁的第16孔、15#～16#桥墩以及基础，通过Midas/Civil有限元软件建立整体实体单元进行模拟分析，按照新增补桩数量分别为6根、10根以及12根，桩长度18 m(既有桩长)、21 m、24 m、27 m、30 m分别建立有限元模型。在模型上施加节点动力荷载模拟列车荷载，节点动力荷载包括竖向荷载F以及横向摇摆力Fs，Fs取值为F的1/3[5]，本次模型施加的列车轴重为300 kN，Fs为100 kN。模拟重载列车KM98以50 km/h行驶速度通过桥跨结构时梁跨中以及桥墩墩顶横向振幅等振动特性，分析各运营性能参数随增补桩数量以及长度的变化规律，通过对比分析确定最优加固方案。加固前、后有限元模型如图4所示。

2.3 增补桩数量模拟分析

为研究增补桩数量的变化对桥梁跨中横向振幅和墩顶横向振幅的影响规律，以增补桩数量分别为6根、10根和12根三种方案为例进行分析，具体布置形式如图5所示。

表1 地基的横向和竖向土弹簧刚度比例系数

图4 有限元模型

图5 新建基础增补桩布置

通过已建立的整体有限元模型，通过改变增补桩的重度和边界来分析不同数量增补桩对桥梁结构横向振幅的影响规律。桩长与既有桩相等(18 m)，模拟在列车轴重为300 kN作用下以50 km/h速度通过桥跨结构时，加固前(桥梁结构横向振幅模拟结果如图6所示)与加固后(不同增补桩数量)桥跨跨中横向振幅与墩顶横向振幅最大值统计结果，详见表2。

表2 桥梁结构横向振幅模拟值

由表2可知：随着基础加固中增补桩数量的增加，桥梁结构横向振幅均逐渐变小；但当增补桩数量到达12根时，梁跨中横向振幅与墩顶横向振幅抑制比增长最为明显，分别为10.5%和13.2%，考虑到桥梁加固效果与经济因素以及桩间距等现实情况，确定增补桩的数量为12根。

图6 加固前桥梁结构横向振幅时程曲线

2.4 增补桩长度模拟分析

加固前与加固后(不同桩长)桥跨跨中横向振幅与墩顶横向振幅统计结果详见表3。

表3 桥梁结构横向振幅模拟值

根据《铁路桥梁检定规范》(铁运函〔2004〕120号)规定，当列车行驶速度为50 km/h时，桥梁跨中横向振幅通常值、安全限值、墩顶横向振幅通常值分别为：2.54 mm、3.56 mm、0.35 mm。由表3可知：桥跨跨中与墩顶横向振幅均小于规范所规定的通常值，但加固前墩顶横向振幅为0.296 mm，接近规范规定的通常值0.35 mm，说明桥墩横向刚度偏小，需要采取加固措施；随着基础加固中增补桩长度的变大，桥梁结构横向振幅逐渐变小，但当增补桩长度超过24 m时，加固对桥梁结构横向振幅的抑制比增长趋势变缓，加固效果不太明显。

3 运营性能试验

朔黄铁路公司于2018年对礠河特大桥部分桥墩进行了“扩大基础+增补桩基”加固处理。加固方案以上一节有限元模拟为依据，增补桩数量为12根、长度为24 m。为验证重载列车作用下加固效果，以第16孔及15#～16#桥墩测试数据进行分析。

在加固的桥墩墩顶、梁跨中布置891-Ⅱ型拾振器并配套数据采集仪及相关设备组成无线桥梁健康监控系统，实现振动数据的实时监控，采样频率为256 Hz。数据采集由列车到达信号自动触发，实时监控桥墩墩顶横向振幅、纵向振幅和相应桥跨跨中横向振幅，如图7、图8所示。

图7 梁跨中振动传感器图8 墩顶振动传感器

在不同列车车型作用下，对第16孔桥跨结构加固前、后跨中横向振幅测试数据进行处理与分析，详见表4。

表4 桥跨跨中横向振幅实测值

由表4可知：加固前、后桥跨跨中横向振幅随着列车轴重的增加而逐渐变大，且均低于规范规定的通常值2.54 mm；不同列车车型跨中横向振幅抑制比在27%～35%之间，与有限元模拟结果28.2%比较接近，证明有限元模型的准确性以及加固方案的有效性。

在不同列车轴重作用下，对16#桥墩加固前、后墩顶横向振幅测试数据进行处理与分析，实测结果详见表5。

由表5可知：随着列车轴重的增加，加固前、后墩顶横向振幅逐渐变大，但相对于加固前，加固后墩顶横向振幅随列车轴重的增长趋势较缓；加固前墩顶横向振幅最大值为0.276 mm，接近规范规定的通常值，但加固后墩顶横向振幅最大值为0.165 mm，最小抑制比为36.0%，最大抑制比为44.5%，说明加固效果较为明显。