邯長鐵路柔性墩加固設計與研究

蔣成強

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

邯長鐵路柔性墩加固設計與研究

蔣成強

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

邯長線柔性墩加固時要求不能停車施工,大量柔性橋墩的加固改造及實施方案成為設計工作的重點和難點。通過對不加臨時墩等輔助措施直接立模板施工橋墩的理論分析研究,確定了橋墩加固時需架設臨時墩的施工步驟,以及臨時墩設計、墩身加固、基礎加固等措施。

柔性墩;加固方案;臨時墩;施工步驟

1 概述

柔性墩橋是把幾孔簡支梁及其墩臺,用適當?shù)拇胧┻B接起來,形成多跨的門式結構,以共同承受橋上傳來墩頂?shù)乃搅?此水平力按橋墩的剛度分配,因此可以顯著地減少柔性墩所承受的水平力,而使大部分水平力傳往剛性墩,從而使柔性墩的截面尺寸及圬工量減少,以達到降低全橋造價的目的。柔性墩橋結構計算圖式如圖1所示,圖中未注明者為柔性墩及固定支座。

圖1 柔性墩體系結構計算簡圖

柔性墩有一定的使用范圍,《鐵路柔性墩橋技術規(guī)范》(TB10052—97)有關規(guī)定 “……適用于時速不大于120km的標準軌距鐵路,但不包括無縫線路地段”,《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)以下(簡稱《橋規(guī)》)有關規(guī)定“通?？刹捎脤嶓w墩臺及厚壁空心墩,不得采用柔性墩、耳墻式橋臺和輕型結構”。為提高運量擴大運能,邯長線全線需鋪設無縫線路軌道,柔性墩不再適用,需將柔性墩體系改造成普通簡支梁體系。邯長線柔性墩縱向寬一般為0.8m左右,最小縱向尺寸僅為0.5m,橋墩整體水平線剛度及墩身強度均不滿足相關規(guī)范要求,需對柔性墩墩身及基礎進行加固。筆者對柔性墩加固設計方法及施工步驟進行了簡要概述,并對柔性墩加固比較方案進行了理論證明。

2 不加臨時墩等輔助措施直接立模板施工的可行性研究

由于邯長線客貨運量大,不能停車施工。方案比選時曾提出能否不架設臨時墩直接進行基礎及墩身加固的方案,筆者對該方案進行了理論論證。

不架設臨時墩直接加固的步驟為:先加固基礎再分層加固墩身。計算時將柔性墩簡化成單墩模型,先計算出墩身及基礎的整體水平剛度,計算出實際工況下水平位移,用剛度乘以位移得出墩頂水平力,再進行墩身截面驗算(按偏壓桿件計算)。

墩頂位移主要由以下幾部分組成。

(1)制動力產(chǎn)生的水平位移,由制動力/總剛度即可得到,各墩位移相等。

(2)垂直荷載作用下梁端轉角引起的墩頂位移,轉角按簡支梁轉角計算即可。公式如下

式中,yc為梁中性軸至梁底距離,m;θ為梁端轉角,rad;q為換算荷載,kN/m;l為跨度,m;E為彈性模量,MPa;I為截面慣性距,m4。

(3)整體升降溫引起梁伸縮變化進而引起的墩頂位移,根據(jù)以下公式計算

式中,Δ1、Δ2分別為同跨內兩墩墩頂位移,m;K1、K2分別為同跨內兩墩水平抗推剛度,kN/m;Δt為溫差,℃;α為線膨脹系數(shù);l為跨度,m;E為彈性模量, MPa;A為梁截面面積,m2。

(4)固定支座縫隙產(chǎn)生的墩頂位移,按《鐵路柔性墩橋技術規(guī)范》(TB10052—97)取值。

基礎加固完成后,基礎剛度比墩身剛度顯著增強,可將墩底視為固結進行計算。橋墩水平抗推剛度表示為:3EI/l3,假設某橋墩一次加固2m,橋墩抗推剛度增加,但是柔性墩體系中剛體墩的剛度要比柔性墩大很多,柔性墩加固2m對柔性墩體系整體剛度基本沒有影響,故同種工況下加固前后墩頂位移基本不變。柔性墩墩身截面突變處彎矩可表示為:(l-2),由上式可知墩身加固越高,突變處截面受力越不利。

柔性墩設計中,單孔輕載、單孔重載、雙孔重載等荷載組合控制設計。選邯長線中原溝中橋1號墩作為算例,按基礎加固完成墩身未開始加固時,墩身加固2m時,墩身加固4m時分別計算,計算結果見表1～表3。

表1 基礎加固完成墩底截面計算結果

表2 墩底加固2m后突變處截面計算結果

表3 墩底加固4m后突變處截面計算結果

既有墩身采用的原C20級鋼筋混凝土,查《橋規(guī)》可知,混凝土容許壓應力為7MPa,鋼筋容許應力160MPa,墩身加固至4m高時,鋼筋拉應力及混凝土壓應力均超限。

根據(jù)以上理論推導及實例驗證可知:不架設臨時墩直接加固墩身方案不可行。

3 施工步驟及臨時墩設計

本線要求不能停車施工,在進行橋墩加固時需架設臨時墩。單個橋墩的加固次序為:

(1)加固基礎施工;

(2)安裝臨時墩;

(3)頂梁、拆除既有支座、安裝臨時支座;

(4)墩身及托盤加固;

(5)安裝新支座。

臨時墩采用鋼管支撐結構,4根鋼管為主要受力構件,立在加固后承臺的四角,鋼管外徑0.7m,壁厚0.02m。鋼管之間用工字鋼連接,見圖2、圖3。

圖2 臨時墩平面(單位:cm)

圖3 臨時墩立面(單位:cm)

為了材料的重復使用及施工方便,將臨時墩設計成4m一節(jié),底部設調節(jié)段,在具體工點施工時直接拼裝即可。

臨時墩支撐混凝土梁采用縱橫梁體系,即下橫梁錨固在鋼管頂部,縱梁緊貼混凝土梁錨固在橫梁上,上橫梁從支承墊石與梁底之間穿過下錨在縱梁上。

4 墩身加固

邯長線柔性墩墩高大部分在25m以下,本設計統(tǒng)一加固成等截面矩形橋墩。柔性墩橫向尺寸較大,橫向剛度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,不需要加強,但是為了滿足新舊混凝土連接需要,本設計將橫向兩側各加大0.3m。柔性墩縱向尺寸較小,最小僅為0.5m,縱向加固是柔性墩加固的重點,加固尺寸需嚴格計算。選取具有代表性的地質資料按多種荷載組合進行墩身截面驗算(按偏心受壓桿件),驗算截面為墩頂、墩中、墩底。采用鐵三院橋梁處軟件RBCAD進行墩身內力計算,ASC程序進行截面檢算,經(jīng)多次試算后得出如下結論:墩身高≤15m,加固后截面縱向寬2m;15m＜墩身高≤20m,加固后截面縱向寬2.4m;墩身高＞20m,加固后截面縱向寬2.6m。墩身縱向加固輪廓圖見圖4。

圖4 墩身縱向加固輪廓(單位:cm)

為加強墩身新舊混凝土的連接,需將既有墩身鑿開,短鋼筋焊接在既有主筋上。豎向焊接位置為既有箍筋的中間位置。也可以采用植筋的方式來加強新舊混凝土的連接,考慮到植筋費用昂貴,邯長線未采用。連接示意圖如圖5所示。

圖5 新舊混凝土連接示意

5 基礎加固

柔性橋墩基礎一般為明挖基礎、挖井基礎、樁基礎,出于安全和施工可行性的考慮,本線基礎統(tǒng)一加固成樁基礎,以縱向2排橫向3排6根樁為主,樁邊緣距既有基礎邊緣不得小于20cm。加固后橋墩縱向水平線剛度需達到300kN/cm。

加固承臺包住既有基礎時,采用植筋的方式增加新舊混凝土連接,植入深度及植筋間距需根據(jù)相關規(guī)程計算確定。植筋鉆孔要求使用專用的電鉆和鉆頭,以減少對既有結構的破壞。植筋前將鉆孔清理干凈,注入植筋膠,植入鋼筋。

為減少對既有基礎的擾動,采用鉆孔樁施工,且鋼護筒跟進長度不低于5m。當既有基礎為明挖基礎時,為保證施工安全,防止既有墩傾斜,加固承臺底高出既有基礎底至少30cm。

6 施工注意事項

既有線柔性墩在既有結構上進行加固,而且是在列車運營振動狀態(tài)下施工。施工中應針對上述情況對混凝土的原材料選用、配合比參數(shù)確定、澆筑、振搗、養(yǎng)護、植筋等各環(huán)節(jié)進行嚴格控制,避免發(fā)生裂紋等問題,確保柔性墩加固工程質量。

新舊混凝土連接時應先鑿毛、清洗干凈后再立模灌注混凝土。

開工前與運營部門聯(lián)系,采取必要的安全措施,施工期間,列車應限速,速度值根據(jù)臨時墩承載力計算確定。

墩身加固過程中加強對既有橋墩墩頂偏移和沉降的觀測,發(fā)現(xiàn)異常及時采取應急預案防護。

7 結語

以邯長線柔性墩加固為背景,詳細介紹了墩身、基礎的加固方法,并對相關難點進行了理論論證,為以后的柔性墩加固設計與研究工作起到了鋪墊作用。

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[11]丁陽.鋼結構設計原理[M].天津:天津大學出版社,2004.

Strengthening Design and Study on Flexible Pier of Handan-Changzhi Railway

JIANG Cheng-qiang
(Bridge Design Department of the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Because the traffic of Handan-Changzhi Railway could not be interrupted when strengthening the flexible piers,the strengthening and renovation and implementation plans for a large number of flexible piers become to be the key points and difficult points in design.Firstly,the paper analyzes the construction with the formworks without the temporary piers.Afterwards,the construction procedure of pier strengthening which needs to erect the temporary piers is determined.Also,the temporary pier design,pier shaft strengthening,foundation strengthening and other measures are determined.

flexible pier;strengthening scheme;temporary pier;construction procedure

U443.2

A

1004 -2954(2012)12 -0061 -04

2012 -08 -30

蔣成強(1982—),男,工程師,2009年畢業(yè)于蘭州交通大學橋梁與隧道工程專業(yè),工學碩士,E-mail:jiangcq06@163.com。