重載運輸條件下雙線雙柱式橋墩橫向剛度加固方法

黃先國（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧　062350）

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重載運輸條件下雙線雙柱式橋墩橫向剛度加固方法

黃先國
（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧062350）

摘要隨著重載列車軸重增大、編組增加，朔黃鐵路現役橋梁中部分雙線雙柱式橋墩出現墩頂橫向振幅偏大、橋墩橫向剛度偏弱的現象，影響行車安全。本文采用有限元分析結合現場振動試驗的方法，對朔黃鐵路一特大橋雙線雙柱式橋墩加固方法進行研究。結果表明:將雙線雙柱式輕型墩加固為圓端形板式墩，當加固高度為墩高的60％時，墩頂橫向振幅抑制比達到45. 67％；當加固高度超過墩高的60％后，隨著加固高度的增加，墩頂橫向振幅降低幅度不明顯。采用增大墩身截面積的方法加固雙線雙柱墩時，應合理優化加固高度。

關鍵詞重載鐵路；橋墩；橫向剛度；加固

雙線雙柱式橋墩是一種輕型橋墩，其外形輕盈美觀、圬工量少、自重輕，可減輕地基負荷，節省基礎工程，施工方便快捷［1］。但是該類橋墩縱橫向剛度差，在列車橫向作用較大時，易產生橫向振動偏大的問題。隨著重載列車編組增加、軸重增大、運營密度增大［2］，雙線雙柱式橋墩出現墩頂及跨中橫向振動偏大的現象，對行車安全造成威脅。因此，本文研究在重載運輸條件下雙線雙柱式橋墩的加固方法。

1　工程概況

1. 1橋梁概況

朔黃鐵路一特大橋全長700. 66 m，由21孔32 m預應力鋼筋混凝土簡支T梁組成。橋墩為雙線雙柱式輕型橋墩，墩身采用C20鋼筋混凝土?；A為擴大基礎，采用C15鋼筋混凝土澆筑。日常巡檢時，發現部分橋跨橫向振動過大。為降低跨中及墩頂橫向振幅，增加橋梁的橫向剛度，保證行車安全，擬對橋墩及基礎進行加固。為分析加固措施及加固效果，選取了該橋第2孔及1#～4#橋墩進行振動特性試驗。

1. 2橋墩加固措施

加固前，橋墩為雙線雙柱墩，墩柱直徑為2. 2 m，墩柱中心距為4. 2 m，加固前橋墩及基礎立面見圖1（a）。為增加橋墩橫向剛度，擬采用圓端形板式墩的加固方法。橋墩加固部分圓端形截面長6. 8 m，圓端半圓直徑為2. 6 m，加固后橋墩及基礎立面見圖1（b）。

圖1　橋墩立面（單位：cm）

橋墩加固前應先鑿除原墩身表面混凝土并探明鋼筋位置，然后植入錨固鋼筋。墩身新舊混凝土接觸面錨固鋼筋植入深度為20 cm，植筋過程應避免損傷原橋墩主筋。植筋完成后綁扎加固區鋼筋，安裝模板，加固區采用C30混凝土澆筑。

2　有限元分析

2. 1模型的建立

為尋求合理的加固措施，選取2#橋墩為研究對象，建立包括上部結構在內的整體模型，進行有限元分析計算。加固前該橋上部橋跨結構為32 m預應力混凝土T梁，采用盆式橡膠支座，支座固定端設于黃驊港方向，2#橋墩為雙線雙柱墩，墩高為13 m，基礎為擴大基礎。提出將雙柱式墩部分加固為圓端形板式墩，按照加固高度3，6，8，10，13 m（墩全高）分別建立不同加固高度的橋梁結構有限元分析模型。計算C80重載列車以70 km/h的速度通過橋跨結構時橋跨跨中橫向振幅、墩頂橫向振幅、橋墩橫向自振頻率等振動特性，分析各振動特性隨加固高度的變化情況，通過對比分析確定合理的加固高度。

為了更加準確地模擬橋墩振動特性，采用實體單元模擬橋墩和基礎，采用梁單元模擬上部T梁，采用節點彈性支撐模擬基礎的約束情況。彈性支撐剛度由地基實際情況及分析模型中基礎的單元大小確定。梁單元與實體單元之間采用彈性連接進行模擬，彈性連接剛度根據支座特性進行設置。

模型中以節點動荷載模擬車輛荷載，所施加的節點動荷載包括豎向荷載F和橫向搖擺力Fs，Fs的取值為F的1 /3［3］，列車節點移動荷載如圖2所示。C80重載列車軸重F為250 kN，Fs為83. 3 kN，l1為1. 83 m，l2為6. 37 m。

圖2　列車移動節點荷載

結構時程分析采用振型疊加法，其基本思想是利用結構自由振動的振型，將結構的動力學方程組轉化為對廣義坐標的非線性耦合方程，然后單獨求解各方程，最后求得各振型的響應后再進行線性組合以得到結構總體響應［4］。

2. 2加固效果分析

通過有限元分析可知，加固前后橋跨結構振型一致，一階振型為縱向振動，三階振型為橫向振動。加固前后橋梁跨中及墩頂橫向振幅計算值見表1?！惰F路橋梁檢定規范》［5］中關于橋墩墩頂橫向振幅的相關規定不適用于雙柱式橋墩，故參照北京交通大學《鐵路橋墩橫向剛度問題研究總報告》［6］中關于雙柱式橋墩墩頂橫向振幅通常值有關規定，計算該墩頂橫向振幅通常值為1. 22 mm，按照《鐵路橋梁檢定規范》中對橋梁結構的跨中橫向振幅限值有關規定，計算該孔跨中橫向振幅通常值為2. 54 mm。

由表1可知，橋墩加固前橋跨跨中的橫向振幅為2. 47 mm，與規范規定通常值2. 54 mm很接近；橋墩墩頂橫向振幅為1. 35 mm，超過規范規定通常值1. 22 mm，表明橋墩橫向振動偏大，橫向剛度較弱。

當橋墩加固高度為8 m時，橋跨跨中橫向振幅為1. 65 mm，墩頂橫向振幅為0. 73 mm；當加固高度為13. 00 m時，橋跨跨中橫向振幅為1. 58 mm，墩頂橫向振幅為0. 66 mm，均滿足規范要求。橋梁跨中橫向振幅和橋墩墩頂橫向振幅隨墩身加固高度增加而逐漸減小，當加固高度超過8 m后墩頂橫向振幅降低幅度較小。

參照文獻［6］中關于雙柱式橋墩橫向自振頻率通常值有關規定，計算該墩頂橫向自振頻率通常值為2. 36 Hz。隨著橋墩加固高度不同，橋墩橫向自振頻率計算值見表2。

表1　橋梁跨中及墩頂橫向振幅計算值

表2　橋墩橫向自振頻率計算值

由表2可知，加固前橋墩橫向自振頻率計算值為2. 38 Hz，與通常值2. 36 Hz接近，表明橋墩橫向自振頻率偏小，橫向剛度較弱。墩身加固高度為8 m時橋墩橫向自振頻率計算值為3. 08 Hz，遠大于通常值，與加固前相比提高29. 41％；橋墩加固高度為13 m時橋墩橫向自振頻率計算值為3. 23 Hz，與加固前相比提高35. 71％。隨著橋墩加固高度的增加，橋墩橫向自振頻率增加比例逐漸減緩。

按照擬定加固方案，橋墩加固過程中加固高度每增加1 m，墩身混凝土量增加約8. 63 m3，橋墩自重及基底應力均增加8. 73％。當橋墩加固高度為8 m時橋梁跨中橫向振幅抑制比達到33. 20％，加固高度為13 m時跨中橫向振幅抑制比達到36. 03％，與加固高度為8 m時相比僅提高2. 83％。當加固高度為8 m時墩頂橫向振幅抑制比達到45. 93％，加固高度為13 m時，墩頂橫向振幅抑制比達到最大值51. 11％，與加固高度為8 m時相比僅提高5. 18％。但橋墩加固高度由8 m增加至13 m，墩身自重和基底應力均增加43. 65％。由此可知，橋墩加固高度為8 m時橋墩橫向剛度提高值與基地應力增量比值最優，加固方案最合理。

3　振動特性試驗分析

朔黃鐵路公司于2015年對一特大橋雙線雙柱式橋墩進行加固，將部分墩高范圍內加固為圓端形板式墩。為研究重載列車作用下雙線雙柱式墩振動特性，并對加固效果進行驗證分析，分別于2014年10月和2015年8月對加固前后橋梁結構進行運行性能試驗，采集運營重載列車通過時橋梁結構的振動參數。測試過程中，選取第2孔及1#～4#橋墩為測試對象，1#～4#橋墩墩高分別為14，13，13，13 m，加固過程中加固高度分別為9，8，8，8 m。測試中采用941B拾振器作為振動測試傳感器，第2孔跨中布置橫向振幅、橫向加速度、豎向振幅、豎向加速度傳感器，1#～4#測試墩墩頂沿縱向、橫向分別布置1個振幅傳感器。朔黃鐵路現行重載列車主要為C64，C70，C80，本次測試列車行駛速度在53～73 km/h。

按照《鐵路橋梁檢定規范》中對橋梁結構跨中橫向振幅限值的有關規定，計算該橋第2孔跨中橫向振幅安全限值［Amax］5％為3. 56 mm，通常值（Amax）5％為2. 54 mm。加固前后運營重載列車作用下橋跨跨中橫向振幅見表3。

表3　運營重載列車作用下橋跨跨中橫向振幅

由表3可知，在運營重載列車作用下，加固前橋跨跨中橫向振幅最大值為2. 38 mm，與規范規定通常值2. 54 mm接近，加固后橋跨跨中橫向振幅最大值為1. 87 mm。與加固前相比，運營重載列車作用下跨中橫向振幅抑制比介于21. 43％～45. 79％，加固效果明顯。

參照文獻［6］關于雙柱式橋墩墩頂橫向振幅通常值有關規定，計算1#墩頂橫向振幅通常值為1. 46 mm，2#～4#墩頂橫向振幅通常值為1. 22 mm。加固前后運營重載列車作用下墩頂橫向振幅實測值見表4。

表4　運營重載列車作用下墩頂橫向振幅實測值

由表4可知，運營重載列車作用下，加固前1#～4#墩頂橫向振幅接近或超過規范通常值，表明加固前各墩橫向振幅偏大，橫向剛度不足。加固后墩頂橫向振幅均滿足規范通常值要求，與加固前相比墩頂橫向振幅抑制比達48. 80％～59. 15％。實測數據表明，采用該方法加固后橋墩橫向剛度提高較大，加固效果明顯。

參照文獻［6］關于雙柱式橋墩橫向自振頻率通常值有關規定，1#墩橫向自振頻率通常值為2. 13 Hz，2#～4#墩橫向自振頻率通常值為2. 36 Hz。采用余振法對加固前后橋墩橫向自振頻率進行分析，實測值見表5。

表5　橋墩橫向自振頻率實測值

由表5可知，運營重載列車作用下加固前1#～4#墩橫向自振頻率實測值接近或小于規范通常值，表明加固前各墩橫向自振頻率偏低，橫向剛度不足。加固后各墩橫向自振頻率均滿足規范要求，加固后1#～4#墩橫向自振頻率提高近1倍，加固效果明顯。

4　結論

本文以朔黃鐵路中一特大橋雙線雙柱式橋墩為研究對象，通過有限元分析結合現場振動特性試驗數據分析，對該類橋墩在重載列車作用下的橫向振動特性及加固方法進行研究，得到以下結論：

1）與加固高度為墩全高相比，當橋墩加固高度為墩高的61. 5％時，橋跨跨中橫向振幅與墩頂橫向振幅抑制比可達到加固高度為墩全高時的90. 0％左右；橋墩頂橫向自振頻率提高值可達到加固高度為墩全高時的80％左右。

2）有限元分析及現場實測數據表明，采用將雙柱式橋墩加固為圓端形板式墩的方法可以有效提高橋墩橫向剛度，降低橋跨跨中及墩頂橫向振幅，加固效果顯著。但當加固高度超過一定高度后，橋墩橫向剛度提高較少，同時會增大基底應力。因此采用該方法加固時，應合理優化墩身加固高度。

參考文獻

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［2］錢立新.世界鐵路重載運輸技術的最新進展［J］.世界軌道交通，2007（12）：20-23.

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［5］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.

［6］李運生，閻貴平，鐘鐵毅.鐵路橋墩橫向剛度問題研究總報告［R］.北京：北京交通大學，2004.

（責任審編鄭冰）

Reinforcing Method of Lateral Stiffness of Twin-Column-type Double-Track Bridge Pier Under Condition of Heavy Haul Railway Transport

HUANG Xianguo
（Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China）

AbstractW ith the increase of the establishment and the axle load of heavy haul train，there are going to appear the phenomena that the lateral amplitude of piers is too large and the lateral stiffness is too weak in part of twin-columntype double-track bridge piers，which will affect driving safety. T he reinforcement method of twin-column-type double-track bridge piers of Shuozhou-Huanghuagang railway was studied by finite element analysis with the test of field vibration in this paper. T he results show that when the reinforcement height arrives 60％of pier，the rejection ratio of lateral amplitude of pier will reach 45. 67％. W hen the reinforcement height exceeds 60％of pier，with the increase of reinforcement，the extend of the lateral amplitude of top pier decreases inconspicuously，so the reinforcement height should be optimized before adopting this method to reinforce this type of bridge piers.

Key wordsHeavy haul railway；Bridge pier；Lateral stiffness；Reinforcement

中圖分類號U445. 7+2

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 04

文章編號：1003-1995（2016）06-0015-04

收稿日期：2016-03-21；修回日期：2016-04-27

作者簡介：黃先國（1968—），男，高級工程師。