雙柱式鋼筋混凝土柔性墩加固設(shè)計(jì)方案比選研究

馬 丁 紅

(甘肅公路航空旅游研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

1.1 原理

柔性橋墩[1]是將多孔簡(jiǎn)支梁、橋墩、承臺(tái)用支座連接起來，形成多跨結(jié)構(gòu)，以共同承擔(dān)橋跨傳來的水平荷載，此水平荷載按橋墩的實(shí)際剛度進(jìn)行分配，故可以大大減少柔性墩承擔(dān)的水平荷載，而使大部分水平荷載傳往剛性橋墩，進(jìn)而使得柔性墩的設(shè)計(jì)尺寸減小，降低工程造價(jià)。

剛度比較小作為雙柱式柔性墩的顯著特點(diǎn)，受水平荷載后雙柱式柔性墩允許在一定范圍內(nèi)發(fā)生變形，將橋跨結(jié)構(gòu)傳來的水平荷載傳遞到每個(gè)墩臺(tái)，使得單個(gè)橋墩所受到的水平荷載減少，從而達(dá)到橋墩截面減少的目的。本文通過橋墩截面填實(shí)、橋墩斜撐增加、墩身加寬及下部墩身加寬等方案，通過midas civil軟件建模分析在各加固方案下橋墩的特性。

1.2 加固目的

我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)鐵路運(yùn)輸行業(yè)也得到了翻天覆地的變化，寧夏計(jì)劃在靈武至寧東運(yùn)煤專線開行C80萬噸運(yùn)煤專列，從而提高其運(yùn)輸能力。根據(jù)檢測(cè)單位對(duì)線路既有橋梁進(jìn)行的靜動(dòng)載荷載實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]，沿線大部分橋梁墩柱自振頻率超出鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)鐵路橋梁檢定規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》)規(guī)定的限值，已不滿足現(xiàn)行通行條件，因此需對(duì)墩柱進(jìn)行加固，確保武寧線安全通行。

1.3 分析方案

本論文采取的加固方案[3]有：方案一：將雙柱式橋墩填實(shí)成為矩形；方案二：填實(shí)后增加斜撐；方案三：增加墩身寬度至6 m，墩身厚度不變；方案四：增加墩寬度至5 m，厚度至1.5 m；方案五：墩身上部(不包括墩帽)5 m段填實(shí)，下部7 m段加寬至5 m，增厚至1.5 m，中間1 m段過渡。

1.4 分析方法

選取該橋橋墩自振頻率、墩頂振幅、墩身最大拉應(yīng)力、墩身最大壓應(yīng)力、制動(dòng)力位移為評(píng)價(jià)參數(shù)[4]，建立有限元模型，分析原橋墩評(píng)價(jià)參數(shù)、橋墩加固后各方案的評(píng)價(jià)參數(shù)與《橋檢規(guī)》相關(guān)規(guī)定值進(jìn)行比較，選取最優(yōu)加固方案。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 原橋概況

橋梁位于靈武至寧東鐵路支線DK85+35處，于1977年9月建成通車，該橋結(jié)構(gòu)型式為：4-24 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，橋梁位于2.3‰坡度直線段上；下部結(jié)構(gòu)為雙柱式鋼筋混凝土柔性墩，橋墩為C25混凝土。

2.2 原結(jié)構(gòu)模擬

2.2.1midas建模參數(shù)

承臺(tái)采用板單元，承臺(tái)—橋墩采用梁?jiǎn)卧詹捎昧簡(jiǎn)卧胢idas/Civil建立橋墩模型[5]，墩臺(tái)模型每0.5 m為一個(gè)有限元單元。整體劃分為80個(gè)節(jié)點(diǎn)，89個(gè)單元：承臺(tái)底約束條件底采用一般支承，6個(gè)自由度約束，承臺(tái)頂和墩底采用共用節(jié)點(diǎn)的方式連接。

2.2.2模擬計(jì)算荷載

根據(jù)橋梁實(shí)際受力情況，整理模擬計(jì)算荷載見表1。

表1 模擬計(jì)算荷載表

2.2.3原模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)midas建模結(jié)果，得到原橋及各方案下橋墩振幅見圖1～圖6，原橋及各方案下評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)對(duì)比見表2～表7。

表2 原橋墩評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比表

由表2中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂振幅實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值均已超出了《橋檢規(guī)》規(guī)定限值，且理論值與實(shí)測(cè)值比較接近，說明理論計(jì)算值有一定的參考性。墩身最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力理論計(jì)算值在C80列車荷載作用下，其值已經(jīng)超出了C25混凝土的最大壓應(yīng)力值，經(jīng)與管理運(yùn)營(yíng)單位溝通，需對(duì)該橋墩進(jìn)行加固。

3 方案計(jì)算結(jié)果

3.1 方案一

表3 方案一評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比表

由表3中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動(dòng)力位移理論計(jì)算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值，但墩身最大拉應(yīng)力、墩頂振幅理論計(jì)算值不滿足鐵運(yùn)函[2004]120號(hào)鐵路橋梁檢定規(guī)范規(guī)定限值。

3.2 方案二

表4 方案二評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比表

由表4中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動(dòng)力位移理論計(jì)算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求，但墩身最大拉應(yīng)力、墩頂振幅理論計(jì)算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

3.3 方案三

表5 方案三評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比表

由表5中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂振幅、墩頂制動(dòng)力位移理論計(jì)算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求，但墩身最大拉應(yīng)力理論計(jì)算值滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

3.4 方案四

表6 方案四評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比表

由表6中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂振幅、墩頂制動(dòng)力位移、墩身最大壓應(yīng)力理論計(jì)算值均滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

3.5 方案五

表7 方案五評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比表

由表7中相關(guān)數(shù)值可知，墩頂制動(dòng)力位移、墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂振幅、墩身最大壓應(yīng)力理論計(jì)算值均滿足《橋檢規(guī)》規(guī)定限值要求。

4 方案比選結(jié)論

由以上分析可知：

1)方案一、方案二對(duì)原橋墩只增加充實(shí)橋墩和充實(shí)后增加斜撐情況下，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動(dòng)力位移能滿足《橋檢規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，但墩身最大拉應(yīng)力、墩頂振幅均超出《橋檢規(guī)》規(guī)定限值。

2)方案三對(duì)原橋墩只增加寬度情況下，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動(dòng)力位移、墩頂振幅能滿足《橋檢規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，但墩身最大拉應(yīng)力超出《橋檢規(guī)》規(guī)定限值。

3)方案四、方案五對(duì)原橋墩既增加寬度又增加厚度情況下，墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動(dòng)力位移、墩頂振幅、墩身最大拉應(yīng)力均能滿足《橋檢規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，但方案五混凝土增加量偏少，從各方面都比較理想。

5 結(jié)語

雙柱式鋼筋混凝土柔性墩加固時(shí)，通過選取不同加固形式和截面尺寸，可以同時(shí)提高橋墩墩頂自振頻率、墩身最大壓應(yīng)力、墩頂制動(dòng)力位移、墩頂振幅、墩身最大拉應(yīng)力，并且取得很好的加固效果，適用于對(duì)提載要求較高的舊橋橋墩加固處理。