大準線萬泉河大橋橋墩加固設計及分析研究

荊龍江，王志堅，馬 林，王樂然

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.武廣客運專線有限公司，武漢 430050)

1 工程概況

萬泉河大橋，1996年建成，位于大同至準格爾鐵路大同至丹洲營區間內，單線橋，橋梁全長1 552.61 m，均為32 m預應力混凝土梁橋，共有47孔。孔跨式樣:14孔32 m預應力混凝土T梁(專橋-2059)+1孔32 m超低高度預應力混凝土T梁(叁橋-2005)+32孔32 m預應力混凝土T梁(專橋-2059)。

萬泉河大橋設計載荷為中—活載，地震基本烈度為7度，凍結深度為1.86 m。全橋位于半徑R=1 000 m，L=100 m的圓曲線、緩和曲線、直線及 4‰、8‰、9‰的坡道上，搖軸鋼支座，固定支座設在大同方向。無橫向限位裝置，有防落梁裝置。主梁中心距為1.8 m。橋上線路為無縫線路，60 kg/m鋼軌，Ⅱ型軌枕。2007年進行過加固，增設了2塊水平板和7塊橫隔板。

萬泉河大橋全橋共有64個橋墩，其中，5#～22#橋墩位于緩和曲線及圓曲線上，其余橋墩均位于直線上。本橋橋墩均為鋼筋混凝土結構。43#～46#墩采用“叁橋(91)4038”鋼筋混凝土圓端形板式橋墩，墩身高9.5～12 m，橫向寬度為3.40 m，縱向厚度為1.60 m;26#墩為工字形墩身，墩身高6.0 m;其余橋墩均采用“叁橋(87)4036”鋼筋混凝土矩形板式橋墩，墩身高4.0～9.5 m，橫向寬度為3.00 m，縱向厚度為1.20 m。三類橋墩具體形狀見圖1。另 23#、26#、39#及 40#墩因需要設置接觸網片等其他原因縱向尺寸加大到1.50 m。

在所有橋墩中，1#～17#墩采用鉆孔灌注樁基礎，18#～46#墩采用明挖擴大基礎，墩身和樁基礎主要采用C18混凝土，擴大基礎主要采用C13混凝土。

近年來大準線鐵路運量日益加大，已經超過當初的設計運量，晃車現象加劇，嚴重威脅到線路的運營安全。中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所于2008年對萬泉河大橋進行了動力測試，根據動力檢測結果，萬泉河大橋上部結構32m預應力混凝土簡支梁經過2007年加固后，在不同列車作用下其跨中橫向振幅基本上能滿足規范［1］的要求，但大部分橋墩的實測結果均不能滿足規范［1］通常值的要求，需要對其進行整體加固，提高橋墩的橫向剛度，從而提高橋墩的橫向自振頻率，降低墩頂橫向振幅。

2 加固方案

根據萬泉河大橋橋墩墩身高度及截面形式等的不同，共提出了兩種加固方案:①僅對墩身橫向兩側進行加固，包打厚度上部為0.25 m，下部為1.00 m;②對墩身橫向和縱向都進行加固，橫向包打厚度上部為0.25 m，下部為1.00 m，縱向包打厚度上下部均為0.25 m。兩種加固方案橋墩的包打高度均為0.6h(h為墩身高度)，鋼筋混凝土矩形板式墩及圓端形板式墩的兩種加固方案分別見圖2及圖3。

墩身加固后，墩底橫向尺寸增加較多，為了滿足墩底加固后的尺寸要求，部分橋墩的基礎需要進行加寬擴大，擴大后的基礎邊緣距加固后的墩底邊緣0.20 m，所有橋墩加固用混凝土等級均為C30。

圖1 萬泉河大橋三大類型橋墩

圖2 鋼筋混凝土矩形板式墩兩種加固方案

圖3 鋼筋混凝土圓端形板式墩兩種加固方案

根據64個橋墩的類型特點，選擇1#墩(墩身高4.0 m，矩形截面)、5#墩(墩身高 7.0 m，矩形截面)、25#墩(墩身高 6.0 m，矩形截面)、41#墩(墩身高 8.5 m，矩形截面)、45#墩(墩身高 11.5 m，圓端形截面)5個典型橋墩作為檢算對象，分別對兩種加固方案的加固效果進行分析對比。此外，通過對特殊的26#墩(墩身高6.0 m，工字形截面)進行檢算分析，探討其是否需要進行加固。

采用大型通用有限元程序ANSYS對所選擇的橋墩進行計算，各橋墩模型均為空間實體有限元模型，在墩底承臺下施加固結約束，未考慮樁基及地基對橋墩剛度的影響作用。各檢算橋墩的基本信息見表1。

表1 大準線萬泉河大橋典型橋墩基本信息

3 橋墩加固后的橫向剛度

根據選取的6個典型橋墩，在每個橋墩墩頂分別施加100 kN的橫向作用力，檢算各橋墩加固前后的墩頂橫向位移。表2是在100 kN力作用下6個典型橋墩加固前后的墩頂橫向位移。從表2可以看出，在相同的橫向力作用下，加固后的橋墩墩頂橫向位移明顯減小，表明橋墩剛度有明顯提高，加固效果顯著。

表2 大準線萬泉河大橋典型橋墩加固前后的墩頂橫向位移

4 橋墩加固后的橫向自振頻率

根據規范［1］，動力檢算以橋墩的橫向自振頻率為主，橋梁上部結構32 m簡支梁等的質量以附加質量的形式在墩頂支座處予以考慮。表3是6個典型橋墩加固前后的橫向一階自振頻率。從表3可以看出，加固后橋墩橫向一階自振頻率明顯增大，表明橋墩橫向剛度在加固后有了明顯改善。

表3 大準線萬泉河大橋典型橋墩加固前后橫向一階自振頻率

5 結語

根據萬泉河大橋橋墩所處的線路、基礎、墩身高度及截面形式等的不同，選取6個典型橋墩作為檢算對象，采用空間實體有限元模型分析對比兩種加固方案的加固效果。每個橋墩模型均在墩底承臺下施加固結約束，未考慮樁基及地基對橋墩剛度的影響作用。經兩種方案加固后，在橫向力作用下的墩頂位移明顯減小，橋墩橫向一階自振頻率明顯增大，表明加固后的橋墩剛度有了很大提高。

根據6個典型橋墩加固前后的分析對比，推薦的橋墩加固方案為:對于鋼筋混凝土矩形板式墩，由于墩身較低，因此僅在橋墩橫向兩側進行加固;而對于鋼筋混凝土圓端形板式墩，由于墩身較高，建議對橋墩橫向和縱向都進行加固。具體加固措施為:1#～25#及27#～42#墩僅對橫向進行加固，擴大為矩形截面臺體，包打厚度上部為0.25 m，下部為1.00 m;43#～46#墩對橫向和縱向同時加固，擴大為圓端形截面臺體，橫向包打厚度上部為0.25 m，下部為1.00 m，縱向包打厚度上下部均為0.25 m，所有橋墩包打高度均為0.6h(h為墩身高度)。26#工字形墩不需加固。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號 鐵路橋梁檢定規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］胡巧玲.跨線橋墩柱病害原因分析與加固方案［J］.鐵道建筑，2009(3):100-103.