既有铁路桥梁板式支座快速更换施工技术研究

李鹏飞张晓康潘金鹏周 都杨高舰

(1.中建交通建设集团有限公司 工程技术部,北京 100071;2.石家庄铁道大学 土木工程学院,河北 石家庄 050043)

0 引言

随着铁路线路运营时间的增长,铁路桥梁及其附属结构不可避免地会出现各种病害,影响桥梁的耐久性和正常使用.在既有铁路线扩能改造和提速提载后,原有的桥梁病害也会进一步加剧,所以维修改造成为铁路管养部门的一项常态化工作[1].桥梁支座是将桥梁上部结构荷载传递给下部结构,最终传递到地基的重要组成部分.支座除满足受力要求外,还要能按照预定的设计要求,满足位移和转角的变形要求.支座的灵活与否直接关系着桥梁结构整体的受力状态,影响桥梁的寿命.为此,对支座的功能进行检查和状态识别,对支座灵活性和损伤状况进行界定,并分析病害原因,是选择支座处置方案的重要依据.病害严重和无法进行功能修复的支座必须更换.针对桥梁支座更换,国内学者进行了不少研究,也积累了很多施工经验.如文献[2]结合狮子林桥支座更换工程,研究了一种大位移顶升技术,可将主桥结构整体顶升1.27 m 后再成功回落到原桥位.文献[3]结合一座公路简支梁桥介绍了顶升梁体更换支座施工技术.文献[4-6]提出了不中断交通状况下的支座更换方法.文献[7]结合实际工程,对多片式T 梁同步顶升更换支座技术进行了探讨.这些文献为铁路桥梁支座更换提供了借鉴.铁路桥梁支座的更换需要在天窗点时间内限时完成,且要快速恢复线路到营运状态,不能长时间影响铁路营运,这就对顶升量、顶升过程控制及顶升更换施工组织的要求更加严格.本文结合大莱龙铁路扩能改造支座更换工程,在研究相关文献和现有技术的基础上,提出了一种同步微量顶升及自动控制、快速更换的方法,实现了在天窗点内完成全部作业,及时恢复线路营运,并将对营运线路行车的影响降到最低的目标.

1 工程概况

山东大莱龙货运铁路线始建于1999年,为有砟短轨线路.随着铁路年运输量的不断提高,桥涵病害日益显露出来.2018年4月,为了给线路扩能改造和日常养护维修提供依据,对此工程(里程范围:益羊铁路YK62+691.79—YK71+952.16及大莱龙铁路K297+700.00—K463+306.70) 涉及的77座重点桥涵(共计372孔跨)开展了普查,结果发现全线有21座桥梁,共344块板式橡胶支座出现了劣化问题,需要尽快进行修复或者更换.

本文以此线路的海港路中桥为研究对象.该桥为钢筋混凝土T 梁桥,桥梁中心里程为K321+701.15,跨度为(12+20+20+12)m,桥面总宽为3.9 m.上部结构的1跨、4跨为普高度先张法预应力混凝土梁,2跨、3跨为低高度后张法预应力混凝土梁,梁体混凝土等级为C50,采用板式橡胶支座;下部结构为独柱式桥墩,钻孔灌注桩基础.该桥梁部分支座病害严重,已导致桥梁行车危险性提高.工程要求在保证铁路行车安全的情况下,在无缝线路改造施工前的每日封锁点4 h内完成一跨梁体支座更换任务.

2 支座病害检查与分析

因板式橡胶支座具有构造简单,易加工,节约钢材,经济耐用且施工方便等优点,故被广泛应用.根据使用需求,板式橡胶支座可以设计为矩形或圆形,其构造见图1.

图1 板式橡胶支座的构造

其主要工作原理为:转角变形通过橡胶的不均匀弹性压缩来实现,水平位移通过橡胶的剪切变形完成.支座产生病害,会造成全部或部分变形能力失灵,结构受力会发生变化,严重时会使结构开裂或者崩塌、掉块.

2.1 检查内容

按《铁路桥隧建筑物劣化评定标准 支座》TB/T 2820.3—1997的规定,对铁路桥梁板式橡胶支座的劣化类型、劣化等级进行检查和评定[8].检查内容包括: (1)裂纹,主要检查板式橡胶支座是否出现裂纹,记录裂纹宽度、裂纹长度、裂纹长度占支座长度的比例等;(2)钢板外露状况,主要检查板式橡胶支座是否存在钢板外露现象,若有,记录钢板外露长度;(3)不均匀鼓凸、脱胶情况,主要检查板式橡胶支座是否存在不均匀鼓凸、脱胶现象,若有,记录不均匀鼓凸的长度及长度占支座总长度的比例;(4)剪切超限,检查板式橡胶支座是否存在剪切变形,如存在,剪切变形是否超限;(5)支座位置串动或不密贴,检查支座是否存在串动错位及与垫石或梁底不密贴的问题,若有,记录相关情况.

2.2 病害现状

普查中发现的板式支座病害主要有剪切变形、鼓凸变形、横纵向裂缝3种,见图2.其中,严重的病害已达到铁路桥梁支座AA 级病害标准,支座需要进行更换.有些病害具有较大的潜在安全风险,如支座脱空会使其他支座受力增大而损坏;支座偏位会造成受力不均;垫石找平层风化,下钢板异常变形等均会加剧支座的劣化.

图2 板式支座主要病害

2.3 病害原因

板式橡胶支座开裂的原因可能是由于制作过程中橡胶原料、加工工艺不过关或支座施工安装时操作不规范引起的.在板式橡胶支座安装后,受横纵坡或其他因素的影响,梁体与支座接触不完全、有间隙,在列车荷载的反复作用下,支座接触部位应力增大甚至超限而加剧损坏.

3 同步顶升设计

既有线顶升更换支座,主要难点在于要尽量减少对铁路营运的影响.顶升更换一孔跨支座务必在天窗点内限时完成,以不影响列车营运为根本目的.病害支座必须快速更换、快速恢复到营运状态,更换过程中千斤顶顶升必须达到完全同步和顶升量值微小.为选定同步顶升千斤顶和掌握同步顶升过程梁体的状态情况,借助MIDAS/CIVIL 空间计算软件建立海港路中桥模型,见图3.模型采用梁单元,在节点1、节点2、节点3和节点4处模拟实际支座位置,拟定顶升高度控制在10 mm 以内,顶升方式为整体同步微量顶升.顶升过程中的支座反力和应力云图分别见图4和图5.

图3 海港路中桥模型图

图4 有限元反力计算模型图

图5 顶升过程中的应力云图

考虑结构自重、二期恒载作用和桥面轨道系统的影响,通过有限元模拟分析计算,支座的反力最大为466.2 k N;同步顶升过程中应力最大值为7.02 MPa,该应力值较低,故不至于对梁体造成损害.如果顶升不同步,会对桥面轨道系统造成不利影响,也会产生梁体受力不均,反力不平衡等问题,因此,同步微量顶升的控制非常重要.

根据分析结果,考虑顶升安全及最大力控制在顶升千斤顶量程的40%～80%时测出的力值最准确这一缘由,经过比选,最终采用QF50t-12.5b分离式液压千斤顶进行顶升施工.为保持平衡,防止出现侧翻,在每个支座位置两侧对称布置两个千斤顶,千斤顶技术参数见表1.这样,可以实现多顶同步控制,通过液压泵站控制中心实现微量同步顶升.

4 顶升施工工艺

4.1 顶升控制原则

由于铁路T 型桥梁本身结构不对称,顶升处置不当会造成侧翻和局部损坏,为此,顶升控制的重点在于要保持顶升过程桥梁结构姿态和相对高度差不变,以确保结构顶升期间受力状态与初始状态一致,这是桥梁顶升控制的主要标准.顶升系统组成、千斤顶配置和布设也必须基于此.如果条件允许,还应适当增加桥梁顶升控制的位移传感器数量,通过多点位移监测,有效地控制梁体的姿态和位移.

表1 QF50t-12.5b分离式液压千斤顶技术参数_____

(1)顶升力控制原则.顶升千斤顶实际顶升力应控制在其量程的40%～80%,这样可以确保顶升力的控制精度.

(2)选型原则.同一泵站的输出油路必须连接到相同类型的液压千斤顶上.桥梁顶升时,避免连接不同类型的千斤顶.

(3)对称布置原则.由于千斤顶具有相同的型号和千斤顶力,因此布置时要采用同一支座左右对称、数量相等(各1个顶)且顶中心到支座横向中心距相等的布置方法,以确保千斤顶顶力和各点的力矩相等,保证在桥梁顶升期间结构不会发生扭转和侧倾.

(4)同步微量顶升原则.在桥梁顶升期间,通过位移传感器进行纵向同步和横向同步控制,通过中心控制系统实现同步且微量顶升,以减少对梁体和线路的影响.

4.2 顶升施工流程

支座更换为3级铁路营运线施工.天窗封锁点为4 h.须在封锁点内完成支座更换,线路检查作业并及时开通线路,支座更换顶升流程图见图6.

图6 支座更换顶升流程图

在顶升之前必须做好详细预案和更换组织交底,防止出现窝工或失误,具体施工组织时间安排为:千斤顶布设1.5 h,梁体顶升及旧支座拆除1 h,垫石及梁底处理、安装新支座并落梁完毕1 h、线路恢复0.5 h.本工程施工实践证明,按此进行更换过程控制,可以满足快速更换和快速恢复线路营运的要求.

4.3 千斤顶布置与试顶升

采用单孔同步微量顶升技术,将千斤顶置于墩台帽顶面,纵向距梁边不可过近,避免梁边混凝土脱落,千斤顶横向对称、均匀置于梁底,见图7.每片梁端布置两个千斤顶,每孔梁布置8个千斤顶,顶升前测量、记录桥面及钢轨标高,确保支座更换前后桥面高程不变[6].为保证顶升时梁体混凝土不被破坏,在各千斤顶底部垫上Φ200 mm×100 mm 的钢板,以增大千斤顶与梁底和桥墩台混凝土的接触面积,使混凝土局部受压强度小于混凝土抗压强度的设计值.强度安全系数应不小于1.5.

图7 千斤顶横向布置图

在正式支座更换顶升前,为了观察和考核整个顶升系统的工作状态,需进行试顶升工作.试顶升时,需将梁体顶起2 mm,然后停止,进行观察,一切正常后才可以进行正式顶升.

4.4 正式顶升

(1)为加快线路恢复速度,顶升前在桥面上布置若干标高和中线观测点,精确测量各点的标高值及桥梁偏移情况,并做好记录,确定各点的精确顶升高度,为线路恢复及检查提供精确数据.

(2)为加快顶升速度,顶升选用同步微量顶升系统,见图8.其8个支点同步进行顶升,位移偏差控制在±0.5 mm,避免顶升不同步造成梁体倾斜,从而影响施工进度、人身及线路安全.

(3) 测试顶升设备.正式顶升前进行试顶升,出顶高度2 mm 后保压10 min,检查顶升是否同步,顶升设备性能是否良好,压力泵中的油是否正常等.

(4)试顶升完毕后进行正式顶升.正式顶升时,通过位移传感器的实际测量及电脑数据联合控制各支点的位移量,顶升速度控制在3 mm/min,要时刻注意各支点的变化情况,避免出现脱空、偏压、不均匀支撑受力等.顶升至预设高度后立即停止,关闭锁止阀并设置临时支撑.

图8 PCL同步顶升系统组成图

总之,顶升过程中,要严格控制千斤顶的行程偏差,将顶升速度控制在允许范围内,达到顶升高度立即设置临时支撑,避免千斤顶回油造成事故,尽可能将因顶升对线路的影响降至最低[7].

4.5 旧支座拆除、垫石及梁底处理

要保证支座更换质量,必须保证旧支座拆除彻底,并满足对接触面的平整度要求.如果处理不到位,将直接影响新装支座位移功能的灵活性,带来不可预期的损坏风险.旧支座拆除处理的相关技术控制要点如下:

(1) 因支座高度为15 cm,首先拆除旧支座的上钢板,为下钢板留出足够拆除空间;下钢板拆除有困难时,可对旧支座进行切割处理;旧支座螺母锈蚀严重时,为加快施工进度,顶升施工前应对螺栓进行除锈并喷涂除锈剂,避免正式施工时无法拆除,导致超时.

(2)旧支座拆除完毕,对梁底及垫石进行清理,不得留有杂物.垫石修补采用半干硬性砂浆.施工时将垫石松散部分凿除并清理干净,喷水湿润但不得留有存水,以免影响半干硬性砂浆的修补效果.砂浆采用捣填的方式,捣实时达到发光、泌水为宜,避免因松散造成支座下沉而出现不均匀受力,影响线路安全.修复后,垫石标高及平整度应严格符合规范要求.

4.6 新支座安装

垫石处理完毕并检验合格后,进行新支座安装.因在狭小空间内进行新支座安装,可以使用工具辅助完成支座安装,以保证新支座安装质量符合要求.具体要求包括:安装后垫石与支座间应紧贴,支座四周不得有缝隙;活动支座的橡胶板与不锈钢板不得有刮痕;安装前清洗活动支座,滑移面保持干净、润滑;支座顶面钢板与梁底钢板焊接时,不得烧伤支座钢板.

4.7 落梁

安装合格后,撤去临时支撑,同步落梁,落梁速度与顶升速度一致.竖向监测点同步误差控制在±0.5 mm 内,同时要检测桥面线路的变化情况.落梁完毕,安装钢板螺栓并拧紧;检测支座安装是否脱空,受力是否均匀,位置是否合格.

4.8 其他工作

支座更换工作完成后,采用水准仪测量轨顶标高,用道尺检测线路宽度及几何尺寸,并检查钢轨、扣件、夹板的变形情况.线路恢复完毕合格后,才能开通线路,此时人员、机具务必全部撤离现场.

5 施工保障

(1) 全面落实准备工作

一是认真做好施工准备工作,既有线由于需要在天窗点内完成施工,故准备工作极其重要;二是根据现场调查情况,进行施工方案优化,合理组织施工;三是做好人员分工安排,施工过程中各司其职,顺利完成工作任务;四是选用合理施工机具,如梁体顶升采用PCL顶升系统可以更好地进行顶升过程控制,施工前保证所有设备处于最佳状态;五是所有材料均检测合格并出具检测报告;六是施工前进行技术交底,通过对施工工艺及质量标准的交底,明确施工方法和质量目标,使作业人员自觉按照标准施工.这些均有利于施工过程的质量控制,以保质保量完成施工任务.

(2)加强安全管理

安全控制是施工过程中的重要内容.施工前对所有人员进行安全教育,考试合格后方可上线作业;组织学习营运线施工安全知识及卡控要点;落实安全管理措施,杜绝安全事故发生,避免因发生事故而影响施工进度.

(3)加强过程控制

施工过程中加强技术标准落实,加大检查和控制力度;施工现场管理人员全程跟踪进行质量控制,发现问题及时纠正,遇到难题及时解决,将问题消灭在萌芽中,避免后期因质量问题而返工.

6 结论

(1)既有线支座病害种类繁多,其中剪切变形、鼓凸变形、横纵向裂缝等是主要的病害形式.应根据支座劣化程度选择更换或维修,以确保线路行车安全.

(2)铁路T 梁结构本身不对称,在顶升过程中很容易出现侧翻,为此,在选择千斤顶系统时,必须考虑同步微量顶升,且千斤顶必须在支座两侧对称布设,顶升过程保持受力均衡.受桥面线路的固定约束作用,顶升过程务必严格控制,防止顶升过程梁体混凝土开裂.顶升更换支座必须保证多支点完全同步.

(3)采用微量顶升技术,既不必拆除扣件、夹板,也不必清除道砟,又不用轧道动检,可缩短施工时间,有利于在天窗点内高质量完成施工任务.