朔黃鐵路雙柱式輕型橋墩動載試驗與強化改造方案研究

肖祥淋，蔡超勛，朱希同，馬宏亮，趙海軍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350)

朔黃鐵路雙柱式輕型橋墩動載試驗與強化改造方案研究

肖祥淋1，蔡超勛1，朱希同1，馬宏亮1，趙海軍2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧062350)

對朔黃鐵路上行線(重車線)上兩座雙柱式輕型橋墩(溫塘河特大橋與崧楊岔河大橋)的動力性能進行了實測，測得了兩座橋梁在試驗列車作用下的動力響應(yīng)。試驗結(jié)果表明:溫塘河特大橋及崧楊岔河大橋雙柱式輕型橋墩實測墩頂橫向振幅偏大，橫向剛度偏弱，應(yīng)盡快對振動過大的雙柱式輕型橋墩進行強化改造。同時提出了3種強化改造方案，宜結(jié)合橋梁大修計劃實施。

朔黃鐵路 雙柱式輕型橋墩 動載試驗 橫向剛度 橫向振幅

朔黃鐵路是我國西煤東運的重要通道，全線采用了97座墩高不等的雙柱式輕型橋墩。據(jù)運營實踐及現(xiàn)場調(diào)研，該類橋梁在開行長大編組列車與列車提速后，由于墩梁橫向剛度不匹配，造成橋梁橫向振動偏大，其中溫塘河特大橋與崧楊岔河大橋尤為顯著。按照神華集團公司的安排，為研究在朔黃線開行4× 5 000 t編組2萬t組合列車的可行性［1］，2012年12月，選擇了崧楊岔河大橋作為輕型橋墩結(jié)構(gòu)進行試驗;為提高朔黃鐵路部分區(qū)段的限制速度，研究重載列車速度由70 km/h提高至75 km/h的可行性［2］，2013年6月，選擇了溫塘河特大橋作為輕型橋墩結(jié)構(gòu)進行試驗。本文通過測試試驗編組列車及運營列車作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，分析評估了該類橋墩在長大編組及提速列車條件下的適應(yīng)性，并提出了該類橋墩橫向剛度的強化改造措施。

1 試驗概況

1.1 試驗內(nèi)容

主要測試項目:梁體自振頻率;橋墩橫向自振頻率;梁體跨中橫向振幅;板式橡膠支座橫向動位移;墩頂橫向振幅;列車速度和位置。

1.2 試驗橋梁

溫塘河特大橋中心里程K232+125，雙線橋，全長700.7 m。橋式為21×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁 (圖號為專橋2059)。橋梁采用盆式橡膠支座，支座橫向中心距為1.80 m。梁體曾進行橫向預(yù)應(yīng)力加固。橋上重車線路為無縫線路，75 kg/m鋼軌，Ⅲ型軌枕，全橋位于半徑800 m圓曲線、長150 m緩和曲線及-6.0‰坡道上。全橋采用雙柱式橋墩，基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)，基底位于石灰砂巖層，橋墩全高均為17.27 m。測試第11#，12#，13#梁及11#，12#，13#橋墩。

崧楊岔河大橋，中心里程K269+642.37，雙線橋，全長165.41 m。橋式為(1×24 m+4×32 m)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，梁體曾進行橫向預(yù)應(yīng)力加固。橋上線路為直線、-4‰下坡，線間距4 m。采用盆式橡膠支座，固定支座設(shè)于黃驊港方向，支座的橫向中心距為1.80 m。均為雙柱式橋墩，基礎(chǔ)為沉井基礎(chǔ)，地基土由上到下分別為新黃土、卵石土、黏土、白云巖。1#，2#，3#墩全高分別為20.67，21.77，24.27 m。測試第1至第3孔梁及1#，2#，3#橋墩。

兩座橋梁概貌與測點布置分別見圖1與圖2。

1.3 試驗儀器

試驗測試內(nèi)容分為振幅、位移、應(yīng)變與列車速度。振幅傳感器采用國家地震局哈爾濱工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的891-Ⅱ傳感器與積分放大器;應(yīng)變傳感器采用日本KYOWA公司生產(chǎn)的KFW-5-120應(yīng)變片與動態(tài)應(yīng)變儀;位移傳感器采用中國水利水電科學(xué)研究院生產(chǎn)的LVDT差動變壓器式位移計與位移放大器;列車速度傳感器采用永磁磁鋼。各傳感器通過數(shù)據(jù)電纜連接至動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行試驗物理量的測量。

1.4 測試列車

測試列車類型主要為C64，C70A，C80，列車編組形式有5000t，1萬t及2萬t3種，測試列車速度為54～78 km/h。

圖1 兩座橋梁試驗現(xiàn)場概貌

圖2 兩座橋梁試驗測點布置示意

2 測試結(jié)果及分析

2.1 雙柱式輕型墩橫向振動性能評判標(biāo)準(zhǔn)

鐵路橋梁運營性能評判一般都依據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［3］(以下簡稱《橋檢規(guī)》)執(zhí)行?，F(xiàn)行《橋檢規(guī)》中關(guān)于墩頂橫向振幅及橋墩橫向自振頻率通常值的相關(guān)規(guī)定不適用于雙柱式橋墩。若采用橋墩橫向剛度一致，等效計算得出測試橋墩橫向?qū)挾葹?.33 m，則溫塘河特大橋11#—13#橋墩自振頻率通常值(等效計算)均為3.88 Hz，墩頂橫向振幅通常值(等效計算)均為0.58 mm。崧楊岔河大橋1#—3#橋墩自振頻率通常值(等效計算)分別為4.37，4.17，3.40 Hz，墩頂橫向振幅通常值(等效計算)分別為0.50，0.53，0.70 mm。

對于墩頂橫向振幅及橋墩橫向自振頻率限值，參考北京交通大學(xué)《鐵路橋墩橫向剛度問題研究總報告》［4］關(guān)于雙線雙柱墩的規(guī)定進行計算。

墩頂最大振幅

橋墩橫向自振頻率

式中:B為輕型墩兩肢橫向?qū)挾戎?H1為墩高。

實測溫塘河特大橋11#—13#橋墩橫向自振頻率分別為2.83，2.83，2.82 Hz。通過式(1)計算得出測試橋墩11#—13#橋墩墩頂橫向振幅通常均為1.03 mm。實測崧楊岔河大橋第1#—3#橋墩墩梁跨體系橫向自振頻率分別為3.25，3.00，2.00 Hz;通過式(1)計算得出測試橋墩1#—3#墩頂橫向振幅通常分別為0.79，0.92與1.80 mm。按式(2)計算得出的溫塘河特大橋11#—13#橋墩自振頻率通常值均為2.25 Hz，崧楊岔河大橋1#—3#橋墩自振頻率通常值分別為2.70，2.52，1.82 Hz。

從兩種評判方法來看，雙柱式輕型橋墩按橫向剛度等效的方式，參考《橋檢規(guī)》的規(guī)定得出的橋梁自振頻率和墩頂橫向振幅通常值均與文獻［4］關(guān)于雙線雙柱墩橋墩自振頻率和墩頂橫向振幅通常值有很大的差異。值得指出的是，文獻［4］中橋墩自振頻率與墩頂橫向振幅通常值采用了包括中國鐵道科學(xué)研究院、沈陽鐵路局橋檢隊、北京交大等科研院所大量的實測數(shù)據(jù)，經(jīng)理論分析擬合得出的，該通常值與雙柱式橋墩的實際運營實測值關(guān)系密切。因此，從統(tǒng)計實測值的角度來說，雙柱式輕型橋墩相對于圓端型等其他類型橋墩結(jié)構(gòu)，橫向剛度偏弱，其橫向振動相對偏大。

2.2 自振頻率

采用環(huán)境微振動法測試兩座橋梁自振頻率。實測溫塘河特大橋墩梁體系11#—13#墩橫向自振頻率分別為2.83，2.83，2.82 Hz。實測崧楊岔河大橋第1#—3#橋墩橫向自振頻率分別為3.25，3.00，2.00 Hz。

2.3 梁體橫向振幅

C64，C70，C80三類貨列重車作用下，實測溫塘河特大橋第11孔梁體跨中橫向振幅最大值分別為1.14，1.52，1.27 mm，第12孔梁體跨中橫向振幅最大值分別為1.10，1.42，0.89 mm，第13孔梁體跨中橫向振幅最大值分別為1.45，1.16，0.86 mm，均在《橋檢規(guī)》貨列重車通常值2.54 mm(v≤80 km/h)的范圍內(nèi)。第12孔梁體跨中橫向振幅與行車速度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 溫塘河特大橋第12孔梁體跨中橫向振幅與速度關(guān)系

C64，C70，C80三類貨列重車作用下，實測崧楊岔河大橋第1孔梁體跨中橫向振幅最大值分別為0.94，0.90，1.15 mm，均在《橋檢規(guī)》貨列重車通常值1.90 mm(v≤80 km/h)的范圍內(nèi)。

2.4 橋墩墩頂橫向振幅

在C64，C70，C80三類貨列重車作用下，實測溫塘河特大橋11#墩頂橫向振幅最大值分別為0.46，0.62，0.58 mm;12#墩頂橫向振幅最大值分別為0.75，0.81，0.38 mm;13#墩頂橫向振幅最大值分別為0.36，0.36，0.31 mm。12#橋墩墩頂橫向振幅與行車速度的關(guān)系曲線如圖4所示。

在C64，C70，C80三類貨列重車作用下，實測崧楊岔河大橋1#墩頂橫向振幅最大值分別為0.61，0.76，0.30 mm;2#墩頂橫向振幅最大值分別為0.97，0.97，0.61 mm;3#墩頂橫向振幅最大值分別為0.99，1.04，0.83 mm。2#橋墩墩頂橫向振幅與行車速度的關(guān)系曲線如圖5所示。

2.5 支座橫向位移

實測溫塘河特大橋第13孔梁支座橫向位移最大值為0.32 mm;崧楊岔河大橋第1孔梁活動支座橫向位移最大值為0.18 mm。兩橋支座橫向位移均滿足《橋檢規(guī)》不應(yīng)超過±2 mm的要求。兩座橋梁梁體橫向振幅偏大與支座橫向位移及梁端橫向限位關(guān)系不大，其主要原因是雙柱式輕型墩橫向剛度偏弱。

圖4 溫塘河特大橋12#橋墩墩頂橫向振幅與速度關(guān)系

圖5 崧楊岔河大橋2#墩頂橫振與速度關(guān)系

3 強化改造方案研究

從動載試驗及運營實踐來看，雙柱式橋墩橫向剛度偏弱，列車通過時，橋梁橫向振動偏大。限速雖能降低橫向振動，但對運營帶來了較大的影響。建議對雙柱式輕型橋墩進行加固處理，以提高橋墩橫向剛度，滿足正常運營需求。參考國內(nèi)相關(guān)研究與大秦等鐵路橋墩加固實踐［5-6］，加固方案可按如下設(shè)計。

加固方案1。如圖6(a)所示，即在雙柱式墩柱之間增設(shè)型鋼剪力撐。首先在雙柱墩的上下端設(shè)置4個剛性箍，通過高強螺栓將其卡死在圓柱墩上，然后通過焊接安裝300 mm×300 mm×6 mm×8 mm H形型鋼剪力撐。該加固方案加強了雙柱式輕型橋墩橫向整體性能，可提高橋墩橫向剛度。

加固方案2。如圖6(b)所示，首先在雙柱墩之間增設(shè)兩道橫向勁性型鋼連接，然后在雙柱式墩、蓋梁和擴大基礎(chǔ)之間澆筑厚為40 cm的微膨脹鋼筋混凝土，即把原來的雙柱式墩變?yōu)閱♀徯味铡Ｔ摷庸谭桨讣訌娏穗p柱式輕型橋墩橫向整體性能，可提高橋墩橫向剛度，但在一定程度上增大了橋墩豎向荷載，應(yīng)檢算橋墩基礎(chǔ)承載能力是否滿足規(guī)范要求，必要時對橋墩基礎(chǔ)進行加樁，或增加擴大基礎(chǔ)尺寸。

加固方案3。如圖6(c)所示，在雙柱式橋墩墩柱中部加設(shè)橫向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，加設(shè)鋼筋混凝土與原橋墩采用植筋、粘結(jié)膠處理，加強雙柱式輕型橋墩橫向整體性能，提高其橫向剛度。

圖6 雙柱式輕型橋墩強化改造方案

4 結(jié)論

1)從統(tǒng)計實測值的角度來說，雙柱式輕型橋墩相對于圓端型等其他類型橋墩結(jié)構(gòu)，橫向剛度偏弱，其橫向振動相對偏大。

2)兩座橋梁梁體橫向振幅偏大與支座橫向位移及梁端橫向限位關(guān)系不大，其主要原因是雙柱式輕型墩橫向剛度不足。

3)提出了3種強化改造方案，均可有效提高橋墩橫向剛度，建議結(jié)合橋梁大修計劃實施，并進行加固效果試驗。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院.朔黃鐵路4×5000噸編組2萬噸組合列車綜合試驗報告［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2013.

［2］中國鐵道科學(xué)研究院.朔黃鐵路重載列車提速綜合試驗［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2013.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］120號鐵路橋梁檢定規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［4］北京交通大學(xué).鐵路橋墩橫向剛度問題研究總報告［R］.北京:北京交通大學(xué)，2004.

［5］荊龍江，王志堅，馬林，等.大準(zhǔn)線萬泉河大橋橋墩加固設(shè)計與分析研究［J］.鐵道建筑，2010(6):7-9.

［6］柯在田，盛黎明，張煅.鐵路橋梁設(shè)計應(yīng)注意梁—墩橫向剛度的合理選擇［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2001，12(3):5-6.

Dynamic loading test research for light double-column piers of bridge on Shuozhou-Huanghuagang railway and its strengthening and reconstructing scheme

XIAO Xianglin1，CAI Chaoxun1，ZHU Xitong1，MA Hongliang1，ZHAO Haijun2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China)

T he dynamic performance of light double-column piers of bridge on heavy haul line was tested on W entanghe bridge and Songyangchahe bridge on Shuozhou-Huanghuagang railway.T he dynamic response of the two bridges under test train operation was measured.T he test results indicated that the lateral vibration amplitude at the top of the piers was relatively large，and the lateral stiffness was relatively weak.T he corresponding strengthening and rehabilitation shall be conducted.T hree strengthening and rehabilitation plans were proposed.It is suggested that these plans be carried out with consideration of the bridge maintenance plan.

Shuozhou-Huanghuagang railway;Light double-column piers of bridge;Dynamic loading test;Lateral stiffness;Lateral vibration amplitude

U446.1;U445.7+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.01

1003-1995(2015)02-0001-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2014-06-05;

2014-09-18

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)

肖祥淋(1981—)，男，福建三明人，助理研究員。