改善双柱式桥墩横向刚度的对策揩施

改善双柱式桥墩横向刚度的对策揩施1概述随着既有铁路不断向提速重载的方向发展，桥梁横向刚度不足的问题变得日益突出和严重。

其中，双柱式桥墩等轻型墩表现尤为突出，普遍存在横向刚度严重不足的问题，桥墩自振频率不足，列车过桥时的墩顶横向振幅超过了《铁路桥梁检定规范》(以下简称《检规》)安全限值。

因此，不得不对这些桥梁采取长期限速措施来确保行车安全，从而降低了列车运行技术条件，制约了既有铁路提速重载化的发展，严重影响了铁路运输能力，也影响着铁路行车安全。

自1997年以来，济南铁路局先后对京沪线徒骇河桥、大汉河桥的双柱式桥墩进行了加固，如图1所示。

以往双柱式桥墩加固方案，虽然是依据当时的检测状况研究分析确定的，取得了一定的效果，达到了当初提速发展所要求的运行技术条件。

但随着列车进一步向纵深提速重载发展，特别是中国第六次大提速的飞跃发展要求，以往采取的在双柱之间加强联结的加固措施已不能满足新的提速技术要求。

分析其原因:一是墩身本身的横向刚度仍不能满足要求;一是桥墩基础的刚度存在不足;:是墩身与承台的连接存在薄弱环节。

为进一步解决双柱式桥墩横向刚度不足的问题，确保第六次大提速任务的顺利实施，按照铁道部下达的消除干线长期慢行桥梁专项整治任务，2006年济南铁路局对管内究南线K13+822、究石线K5+285桥双柱式桥墩的横向刚度不足的司题，针对新的提速技术要求，迸行了横向加固研究，通过理论分析与实践相结合的原则，制定了总体加固处理方案。

2桥梁现状兖石线K5+285特大桥为113-16m普通钢筋混凝土T形梁+1一40m栓焊半穿式桁梁，建于1984年。

该桥共有43个双柱式桥墩，除个别桥墩采用三层扩大基础外均采用两层扩大基础，墩高从4品到7m不等，地基土以砂黏土为主，基底允许应力从256kPa到358kPa不等，具体数据详见表1。

兖南线K13+822特大桥为146-16m预应力棍凝土T梁+1一40m栓焊半穿式桁梁，建于1986年。

该桥共有51个双柱式桥墩，全部采用双层扩大基础，墩身高从4m到8.8m不等，地基土以硬黏土或砂黏土为主，基底允许应力从286kPa到396kPa不等，具体数据详见表2。

表2充南线K13+822桥双柱式桥墩基础尺寸表注:C，~C，指桥墩基础正面尺寸，D，~D，指侧面尺寸。

C，、D，为第一层基础，C2、也为第二层基础。

两桥的双柱式桥墩形式相同，因墩顶横向振幅超限，自振频率不能满足《检规》要求，两桥先后.1999年9月28日、2004年6月4日起，对货物列车长期限速45km/h.3原因分析桥梁振动是由桥上运行列车引起的外激振动，桥墩横向振动响应的程度主要与外界激励源的大小和桥墩本身抵抗变形的能力即桥墩横向刚度有关，其横向刚度不足主要存在以下儿个方面的原因:(1)当时的设计规范主要考虑竖向受力要求，没有考虑桥梁的横向刚度要求，因而桥墩横向断面尺寸较小，两桥双柱式桥墩属单线轻型墩，其横向刚度较弱。

(2)基础或承台的刚体转动对墩顶的横向振幅也产生较大影响。

(3)由于墩身的刚度较弱及基础的刚体转动，导致桥墩的横向自振频率降低，当与车辆转向架运行的蛇行波频率接近时冯1起共振。

(4)墩身或基础存在缺陷或不足。

(5)轨道方向不平顺，货物列车的编组影响，促使列车在桥上运行出现侧倾和不均匀摇摆，造成对桥梁横向振动冲击。

(6)风的作用。

列车过桥时，由于风的作用，虽然横向摇摆力减小，但是风所产生的单方向的水平力增加，增大了桥墩顶的横向位移(振幅)，同时减小了桥墩的自振频率。

根据车桥系统振动理论，列车、桥梁和墩台是相互作用和相互制约的关系。

尽管机车、车辆的竖向振动加速度、竖向舒适度、平稳度等可能都在允许范围内，当桥梁横向振动加剧时，桥上机车车辆的响庇如横向加速度、脱轨系数、摇摆力、轮压减载率等将随之增大，旅客乘坐舒适度、列车运行平稳度随之下降。

因此，随着列车提速重载的发展，桥梁的主要问题是车桥横向振动的相互作用问题，对桥梁来说就是要解决其横向刚度的问题。

具体来说，必须提高梁体和桥墩横向振动的自振频率，降低横向振幅。

4加固方案4·1加固技术要求(1)加固后，桥墩横向振幅及自振频率须满足愉规》的安全限值要求;(2)桥墩加固施工过程中，不得中断行车，不特别限速;(3)加固后，不削弱桥墩的纵向刚度;(4)尽可能节省材料，降低加固费用;(5)确保施工期间桥梁设备的安全。

4·2加固方案为满足目前铁路提速重载的要求，桥梁的横向自振频率和横向振幅是反映桥墩横向刚度最重要的两个指标。

要减小桥墩横向振动，有两个途径:一是尽量减弱激振源，二是增强桥墩自身的横向刚度。

从桥梁本身的角度来说，对桥墩进行加固，适当提高其横向刚度和自振频率，以满足行车安全和旅客舒适度的要求，是唯一切实可行的解决方案。

对桥墩横向加固初步研究了以下四种方案。

方案一:增大墩身刚度。

此方案虽然增加了墩身刚度，减少了因墩身刚度不足引起的墩顶横向振幅，但不能解决因基础刚体转动引起的墩顶横向振幅，也不能消除基础存在的缺陷或不足，同时增加了自重，增加了基底压应力。

方案二:增大基础面积。

从理论上讲，此方案能够降低基底压应力，但施工难度很大，不管基础埋深多大，都要挖到底，工程量大，且需降水;二是扩大基础面积，新旧污工结合的可靠性差;三是基础扩大后，襟边尺寸增加，刚性角不能满足规范要求;四是解决不了因墩身刚度不足或缺陷引起的墩顶横向振幅值。

方案三:增大墩身刚度和基础面积。

同时加大墩蜀截面和基础面积的加固方案，除同时存在方案一、二的问题外，增加自重太大，污工量大，加固费用高，不经济。

方案四:增大墩身和基础的横向刚度。

根据材料力学原理，增加墩身横向惯性矩，在墩身横向两侧增大截面，随墩身高度逐渐减小，能根据需要明显增加墩身的横向刚度，技术合理，经济可靠。

另据结构力学原理，将因基础刚体转动引起的力偶传递给基础两侧增加的钻孔桩，不给既有基础增加太多负担。

这种加固方案能同时解决墩身和基础横向刚度不足或缺陷，原理直观，结构合理，节省加固费用。

分析以上四种加固方案，方案四能够全面解决双柱式桥墩目前存在的问题，经济合理。

因此，确定方案四为本次双柱式高桥墩的横向加固方案。

对于较低的双柱式桥墩采用方案四显然是不经济的，因为低墩自身的横向刚度较高墩大，可采用方案一加大墩身横向刚度。

方案四的加固形式及原理为在每个桥墩基础两侧各增设钢筋混凝土钻孔桩，增大基础的横向刚度，限制基础刚体转动;在墩身两侧增设钢筋混凝土斜撑，增大桥墩的横向刚度;在双柱式桥墩的双柱之间增设钢筋混凝土联板，便双柱联结为一个整体，如图2、图3所示。

图2为2根桩加固方案，图3为4根桩加固方案。

考虑到节省工程费用、减少不安全因素，决定采用2根桩加固方案。

对方案四采用大型有限元程序进行理论分析计算，分析数据对比见表3、表4。

由表3、4中数据可以看出，其横向自振频率和横向抗推冈度增加非常明显。

5 施工设计根据仿真分析结果，按墩身高度分为大于4·5m和小于等于4·5m两类，采取不同的加固方案。

5·1墩高H>4.5m的桥墩加固对墩身高度大于4·5m的桥墩，采用2根桩的方案，除墩柱司增设横向联板外，两侧增设钻孔桩基础、承台和斜撑。

桩长不小于6m，承台厚度不小于lm，墩柱之司的横联板厚度取0·5m，墩柱横向外侧的斜支撑高度取墩身高度的1/2~2/3、纵向长度(厚度)取墩柱的纵向宽度1·2cm、顶部横向宽度0·5-0.6m、底部横向宽度满足离承台边缘0·5m的要求。

为保证加固效果，一是墩柱上的新日污工面打麻面处理，增大抗剪效果;二是新承台与日司采用植筋连接，为减小施工难度，承台设置顶;三是钻孔桩长度为lOm，桩身离开基础0·5m;四是增设6道预应力筋，用于加强新日司的结合，提高其整体性如图4所示。

5·2 墩高H乓4·5m的桥墩加固墩身高度等于或小于4·5m的桥墩加固来设墩柱横联板方案。

为保证加固效果，一是在混凝土中添加」'量的膨胀剂，用于抵消混凝土的收缩量，添加的数量由实验室通过试验确定;二是对墩柱旧污工结合面进行打麻面处理，增大抗剪效果在墩柱与横向联板司增设6道预应力筋调·新旧污工间的结合，提高其整体性，如图5所示。

改善双柱式桥墩横向刚度的对策措施图4墩高H>4.5m加固方案5·3加固后地基承载力检算桥墩加固后，墩身自重增加，基础尺寸也相应增加，经检算基底应力均满足要求。

6组织实施6·1施工组织设计(1)钻孔方案根据该桥工程地质情况，基底地质为黏土、砂黏土，承载力为257~396kPa，土质较硬，在钻孔过程中不易塌孔，因此确定采用反循环旋转钻钻进成孔。

反循环旋转钻工艺能更好的清除沉渣。

为确保行车安全，钻孔桩在施工中采用大比重泥浆护壁(泥浆比重1·2-1·4)，确保不塌孔。

(2)承台施工0拆除桩头。

0承台新旧垢工连接面凿毛。

0进行植筋处理，新日污工连接采用直径16mmHRB335螺纹钢筋，平面司距2Ocm，分上下两层，采用化学植筋胶将钢筋植于既有墩身25cm处。

0灌注承台C30混凝土。

(3)斜撑及横联板混凝土施工0墩身[日污工连接面凿毛，栽牵钉。

牵钉直径2Omm，间距40Cln交错布置，牵钉锚固采用LGT锚固包。

0钻预应力钢筋孔，布设预应力筋，要保证两墩柱上的钻孔在一条直线上。

0为保证加固效果，横联板混凝土中掺加一定量的膨胀剂，用于抵消混凝土的收缩。

Q预应力张拉。

混凝土灌注完毕经养护强度达到设计强度100时，对预应力钢筋迸行张拉，张拉控制应力为0·75A。

0封锚。

图5墩高#奏4·5m加固方案6·2实施效果为验证双柱式桥墩的横向加固效果，对加固前后的究南线K13+822桥双柱式桥墩分别进行了现扬测试。

实测第100号墩(墩高9·3m)墩顶横向最大单峰值加固前后分别为1·63mm("二31.gkm/h)、0·22mm("=44.gkm/h)，幅值减小了87;实测第101号墩(墩高9·3m)墩顶横向最大单峰值加固前后分别为1·06mm("=30.7km/h)、0·34mm(v=46.9k彬h)，幅值减小了68。

试验结果表明，桥墩加固后，墩顶横向振幅得到了大幅降低，完全满足《检规》通常限值0·58mm的要求(对于加固前的双柱式桥墩，《检规》没有规定限值;加固后，墩身全高11.3m，计算宽度4·1m，应属于低墩)。

桥墩加固取得了良好效果，达到了预期的目的，满足了第六次大提速的技术要求，为提速工作的顺利实施打下了坚实的基础。