新菏線跨京廣鐵路特大橋抑振加固實踐

羅錦章

(鄭州鐵路局 工務檢測所，鄭州 450052)

1 橋梁及病害概況

1.1 橋梁概況

新菏上行線K3+855跨京廣鐵路特大橋，位于新鄉市新鄉運轉場—新鄉東站區間，全長3 016.1 m。上部結構由326孔8 m鋼筋混凝土梁，9孔16 m先張預應力低高度混凝土梁，1孔24 m預應力混凝土梁及1孔32 m預應力混凝土梁(共計337孔)組成。全橋336個橋墩均為雙柱式鋼筋混凝土橋墩，墩高5.1～8.1 m。橋墩基礎中明挖基礎254個，鉆孔樁基礎82個。橋上為無縫線路，橋西段525 m為半徑800 m的曲線，其余為直線。橋址屬黃河沖積平原，地表以下30 m內分布粉土、粉砂、細砂、中砂及粉質黏土。

1.2 病害概況

2009年5月，設備管理單位發現車載添乘儀在橋梁上多次出現超限報警，且列車通過時人體可感橋梁、橋墩明顯的晃動。設備管理單位及橋梁檢定單位對該橋進行了病害普查及檢定試驗。

1)實測梁跨中橫向振幅超出《鐵路橋梁檢定規范》中通常值以及行車安全限值，最大振幅值達8.49 mm，超出行車安全限值(0.89 mm)854%［1-2］。

2)實測256～261號橋墩墩頂橫向振幅較大，分別為 7.05 mm，7.96 mm，6.27 mm，4.51 mm，3.67 mm 和4.22 mm;全部21個測次的橫向振幅的平均值分別為4.85 mm，5.60 mm，5.21 mm，3.59 mm，2.98 mm，2.64 mm。

3)實測256～261號橋墩自振頻率在1.81～2.00 Hz之間，各墩自振頻率見表1。

表1 橋墩實測自振頻率 Hz

4)60%的橋墩(201個)墩柱在距基礎頂面2 m范圍內出現了0.1～0.5 mm的水平環向裂縫。

2 病害原因分析

2.1 橋梁檢定結果分析

1)墩頂橫向振幅達7.96 mm，雖然《鐵路橋梁檢定規范》對雙柱橋墩墩頂最大振幅沒有規定，但該橋墩頂最大振幅已是相似外觀尺寸橋墩通常值(0.39 mm)［1］的 20 倍。

2)結構自振頻率是反映結構剛度的特征值?，F行規范對雙柱橋墩的自振頻率沒有明確規定，參考《鐵路橋梁檢定規范》中實體中高墩自振頻率的計算公式

式中 f——自振頻率(Hz);

α3——地基特征系數，取 0.8;

B——橋墩的平均寬度(m)，根據257號墩的實際尺寸，取2.3 m(見圖1);

H1——墩高(m)，根據257號墩的實際尺寸，取6.62 m。

計算得257號墩的最小自振頻率為4.40 Hz。

可見257號墩的實測自振頻率遠小于相似橋墩自振頻率通常值。在其他條件相同的情況下，自振頻率小的橋墩其墩頂必然會有比較大的振幅。

2.2 理論分析

圖1 雙柱墩輪廓示意(單位:cm)

由于實測橋墩自振頻率遠小于類似橋墩自振頻率通常值，有必要對橋墩自振頻率進行計算，分析理論計算值與實測值之間的關系，以便制定加固方案。

對雙柱墩自振頻率的計算采用有限元計算方法。按兩種計算假設考慮:①將墩柱基礎視為與地基固結，不考慮地基壓縮對橋墩自振的影響;②將基礎視為彈性地基梁，考慮地基彈性壓縮對橋墩自振的影響。

由于只分析橋墩的橫向振動，故將橋墩簡化為平面剛架，用 BEAM3二維梁單位模擬墩柱、蓋梁及基礎。

用MASS21質量單元模擬上部結構作用在墩頂的質量，每孔梁的質量按照45 t(8 m鋼筋混凝土梁)計，橋上線路及附屬設施的質量按3.5 t/m計。

用COMBIN14彈簧單元模擬彈性地基。彈性地基按照文克爾假設的分析方法［3］進行計算，即

式中 P——地基單位面積壓力;

k0——地基系數，根據現場地質勘察資料［4］并參照文獻［3］取1.5×104kN/m3;

y——地基沉陷量。

地基彈簧單元的彈性系數按下式計算

式中 k——彈簧單元的彈性系數;

A——彈簧的作用面積(根據基礎單元的大小計算)。

以257號墩為例，利用有限元分析軟件計算得兩種計算假設的振動模態如圖2。

圖2 橋墩一階(橫向振動)振動模態

計算得橋墩一階振動(橫向振動)頻率見表2。

表2 橋墩加固前自振頻率計算值 Hz

與實測橋墩自振頻率比較表明，按彈性地基考慮計算所得的自振頻率與實測值接近，而把橋墩看成與地基固結計算所得的自振頻率與實測值相差很大，不能反映橋墩的真實自振特性?？梢?，修建在軟弱地基上的橋墩，地基對橋墩整體剛度的影響是比較大的。

通過以上分析可以認為該橋異?；蝿又饕怯梢韵聨追矫嬖蛞鸬?①雙柱墩截面較小、基礎埋深淺整體剛度弱;②橋墩基底為粉砂類土，地基承載力低，雖然建橋時進行了強夯處理，但處理深度較?。?］，加之通過總重的逐年增加，在列車活載的反復振動作用下，地基飽和砂土孔隙水的存在，土體有效壓力難以提高，地基彈性壓縮大;③列車長期沖擊振動導致墩柱產生水平裂縫，更加削弱墩柱的整體剛度。

3 加固方案

3.1 方案比選

1)加固雙柱橋墩墩身方案。在既有墩柱外側包箍混凝土，將雙柱橋墩改造為實體橋墩。

2)加固基礎方案。采用長10 m的旋噴樁對基礎進行加固，并對既有擴大基礎按照構造要求向外擴大50 cm。旋噴樁對地基的加固可以認為是對地基的置換，加固后地基系數取10×104kN/m3。

3)綜合采用以上兩種加固方案。同時采用以上兩種既加固墩身又加固基礎的方案進行加固。

按照以上三種加固方案對墩身自振頻率分別進行計算，計算方法與2.2條相同。計算自振頻率與加固前自振頻率對比見表3。

表3 加固前后自振頻率計算比較 Hz

由表3可以看出，單純加固墩身或基礎，橋墩自振頻率雖有所提高，但提高幅度不大，不能滿足《鐵路橋梁檢定規范》要求;采用方案三加固后，橋墩自振頻率提高很大，是加固前的2.7倍，且能夠滿足《鐵路橋梁檢定規范》要求。

3.2 方案選定

根據以上對各種方案的比較，擬在不中斷列車運營的條件下，通過加大雙柱橋墩截面尺寸、提高地基承載力等措施提高橋墩的整體剛度，改善梁體的約束條件，最終達到提高橋梁整體剛度的目的［5］。

具體實施方案如下:

1)在既有雙柱墩外側包箍厚25 cm混凝土，改造雙柱墩為實體橋墩，見圖3。

2)沿擴大基礎外沿施作一圈旋噴樁，旋噴樁樁長為10 m，基礎同時向外擴大50 cm，見圖4。

圖3 墩身加固示意(單位:cm)

圖4 基礎加固示意(單位:cm)

3)更換剪切變形嚴重的橡膠支座;

4)增設橡膠支座梁端限位裝置。

4 加固效果

該橋按上述方案加固后，橋檢單位對該橋的振動情況進行了檢測，這次共檢測橋墩44個，梁跨9孔，其中254～260號橋墩墩頂最大振幅及自振頻率見表4。

表4 加固后實測墩頂振動

對比加固前后實測資料，加固后墩頂最大振幅約為加固前的十分之一，并且大振幅出現的頻次遠遠小于加固之前;橋墩自振頻率也由1.8 Hz提高到5.0 Hz，并與計算結果相吻合。檢測結果表明加固思路正確，施工質量良好，達到了預期效果。

5 結語

在分析橋墩的自振頻率時，如果擴大基礎下為承載力較低的非巖石類地基，按彈性地基進行分析，能夠取得與實測值較為一致的結果。橋梁抑振加固時應綜合考慮梁體、墩身以及地基的相互作用，特別是坐落于軟弱地基上的擴大基礎，地基對橋梁的整體剛度的影響是明顯的，對地基的加固不僅是為了提高其承載能力，也是提高其剛度的需要。

［1］魏樹林，許光宏，羅錦章.新菏線跨京廣特大橋振動異常的檢定［J］.鐵道建筑，2010(4):31-34.

［2］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.

［3］鐵道第三勘察設計院.橋涵地基和基礎［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［4］李俊，強士中，李小珍.地基系數的比例系數 m的確定［J］.鐵道標準設計，2004(11):83-85.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.