大秦线重载条件下桥梁加固措施（已修改）(共10页)

精选优质文档-倾情为你奉上大秦线重载条件下桥梁加固措施侯畅 赵洪雁 张俊俭太原铁路局工务处 摘要：2005年以来，大秦线开行了2万吨重载列车，年运量首次达到了2亿吨，2006年运量实现了2.5亿吨，2007年运量将突破3亿吨，随着运量的不断增加，大秦线桥梁结构缺陷和病害逐渐暴露，长期运营会导致桥梁的损伤甚至疲劳破坏，结构病害会呈逐步恶化趋势，影响重载列车的运营安全。本文针对跨度为32m桥梁横向振动超限、横隔板断裂，中高桥墩横向振动增大的问题，提出了在对具有代表性的桥梁进行科学检测的基础上，制定了对梁体进行横向预应力加固，对中高桥墩进行上下行墩帽联结或加大墩身截面的措施，对施工过程需重点控制的C50高强混凝土强度和弹性模量质量保证措施及低回缩量预应力钢绞线张拉施工工艺进行了阐述，为重载条件下铁路桥梁提出了结构加固方案和施工指导性意见。关键词：铁路 重载 桥梁 加固为适应铁路跨越式发展，2005年铁道部决定在大秦线开行了2万吨长大重载列车，轴重由21t提高到25t，列车编组数量由120辆增加到240辆，年运量达到了2亿吨，2006年运量实现了2.5亿吨，2007年预计年运量达到3亿吨，最终将实现年运量4亿吨的目标。随着运量的不断增加，桥梁的各种病害日益突出，使用性能不断下降，尤其是跨度为32.0m预应力混凝土梁因横向联结偏弱，横隔板断裂现象逐年增剧，单线中高圆柱型墩横向振动偏大。在列车通过时，个别桥甚至出现了因摆动太大而导致的接触网脱弓现象。为了保证运输安全，确保设备的正常使用状态，满足运量不断增长的需要，必须对桥梁进行加固。桥梁加固总体方案的选定是关系到结构加固工程的全局性问题，方案选择的正确与否，直接关系到加固工程的效果。为此，我局请铁道科学研究院对大秦线有关病害桥梁进行了检测试验和评估，在做出测试结论和对结构科学评价的基础上，根据技术、经济条件和使用要求，有针对性地制定了加固方案。2007年我局首先安排对定型图号为叁标桥2019、跨度为32m的梁及部分单线圆柱型桥墩进行了加固，取得了很好的效果。一、概况大秦线是我国第一条重载铁路和双线电气化运煤专线，西起大同枢纽，在北同蒲线韩家岭站接轨，经山西省、河北省、北京市、天津市，至秦皇岛市的柳村，全长653.02km。大秦线分两期工程建设，第一期工程为韩家岭至大石庄，1988年开通，第二期工程为大石庄至秦皇岛，1992年开通。设计SS4型单机牵引列车重量为6000吨，双机牵引列车重量为10000吨，货车轴重21吨,主要车型为C61、C61Y、C62、C63A和C64。在近20年的发展过程中，先后开行了重量为4000t、5000t、6000t、10000t及20000t的货物列车。大秦线为典型山区铁路，共有桥梁493座65696延长米4448孔，主要梁式有跨度8.0m的板梁178孔，占梁孔总数的4%、12-20m低高度T型并置梁449孔，占梁孔总数的10.1%、24m和32m预应力钢筋砼T梁3562孔，占梁孔总数的80.1%。跨度为32m的预应力钢筋砼T梁共有2296孔，主要有三种定型图号，其中叁标桥2019的有929孔，专桥2039（2040）的有1003孔，专桥2059（2059A、B）的有330孔孔，从工务段有关桥梁工区设备调查数据来看，桥梁振动从大到小依次为叁标桥2019、专桥2039（2040）、专桥2059（2059A、B）。初步分析，桥梁发生较大振动的原因主要有以下几点：1、列车密度和牵引数量的增加，加大了活载对桥梁的冲击频率和次数。按年运量2.5亿吨、考虑开行万吨、两万吨及其他编组概率相同计算，每天通过桥梁的车辆约有9780辆左右，也就是说每天对每孔梁加载6500次左右。2、桥梁梁体横向刚度偏弱，腹板最小厚度只有160-240mm。3、“T”型分片式梁体横隔板强度不足。设计过程中，横隔板的构造本来就是一个薄弱的环节，再加上对大秦线运量快速发展未予充分考虑，横隔板没有任何加强，现场有部分桥梁的横隔板混凝土脱落的情况很多，角钢与钢板开焊换情况也不少见。4、列车轮对的蛇行运动造成车辆的左右摆动，当列车编组较长（超过约100辆）时，编在尾部一定范围内的车辆的横向摆动（鞭振）也会很大，当列车摆动频率与桥梁自振频率成比例关系时，对梁体或梁跨结构形成激振。二、桥梁检测方案桥梁的选择根据现场调查情况，选取了不同高度、不同定型图号、不同使用环境具有代表性的桥梁8座，具体情况如下。大秦线试验桥梁表序号中心里程桥号桥名单、双线桥测试孔跨1K213.299121永定河特大桥双线桥上下行38、39、40号墩及梁跨2K215.170122跨丰沙特大桥双线桥上下行31、32、33、34号墩及梁跨3K510.173307滦河特大桥单线桥（下行）下行17、18、21、22号墩及梁跨4K510.173307A滦河特大桥单线桥（上行）上行17、18、21、22号墩及梁跨5K524.543311西寨东沟桥单线桥（下行）下行2、3号墩及梁跨6K524.543311西寨东沟桥单线桥（上行）上行2、3号墩及梁跨7K600.749353迷雾河特大桥单线桥（下行）下行30、31、32号墩及梁跨8K600.749353迷雾河特大桥单线桥（上行）上行30、31、32号墩及梁跨测试内容1、梁体竖向振动（含强振频率、振幅、自振频率、阻尼比）测试列车通过桥梁时梁体跨中竖向振动（含强振频率、振幅），分析竖向激励特征和梁体是否产生竖向共振现象；通过用环境微振动法或余振法测试梁体竖向固有特性（含自振频率、阻尼比），以评定梁体竖向刚度。2、梁体横向振动（含强振频率、振幅、自振频率、阻尼比）测试列车通过桥梁时梁体跨中横向振动（含强振频率、振幅），以分析横向激励特征和评定梁体横向刚度；通过用环境微振动法或余振法测试梁体横向固有特性（含自振频率、阻尼比），以评定梁体横向刚度。3、桥面竖向和横向振动加速度测试列车通过桥梁时桥面竖向振动加速度，以评定桥上桥道碴是否能保持良好状态；通过测试桥面横向振动加速度，以评定梁体横向刚度。4、桥墩横向振动（含振幅、自振频率）测试列车通过桥梁时墩顶横向振动（含强振频率、振幅），以分析横向激励特征和评定桥墩横向刚度；通过用环境微振动法或余振法测试桥墩横向自振频率，以评定桥墩横向刚度。5、列车速度和位置测试列车速度和位置，以分析在某些测试参数超标时列车在桥上的排列，找出产生异常激励的车辆。评判标准本次试验数据评判主要依据铁运函2004120号铁路桥梁检定规范。铁路桥梁检定规范指出铁路桥梁运营性能检验有两种判别值：行车安全限值：保证列车以规定的速度安全通过，桥梁结构必须满足的限值，超过此值，应即采取必要的措施。通常值：合格桥梁在正常运营中实测值的上限（挠度、振幅）、下限（频率）或均值（结构校验系数）。铁路桥梁在运营过程中，如超过此值，应仔细检查桥梁结构是否存在隐藏的病害，同时调查列车曾否产生异常的激励。主要判别值如下1、跨中横向振幅的行车安全限值：预应力钢筋混凝土梁Amax5%=L/9000。2、梁体横向振动加速度限值： = 1.4m/s2。3、横向刚度的通常值：预应力混凝土梁，跨中横向振幅Amax5% =L/14.7B(mm)（客车、160v200km/h）；横向自振频率90/L(Hz)。4、墩顶横向振幅及桥墩横向自振频率的通常值：由于分类和公式较为复杂，现仅列出检测有关的桩基础的情况。墩顶横向振幅Amax5%=(H+h)2/100B+0.2, 桥墩横向自振频率f241B/H，其中H为墩全高，B为墩身横向平均宽度，h和1为与地基土特征有关的系数。检测结论1、所有测试桥墩横向自振频率均超过桥检规的通常值。2、跨丰沙、迷雾河、滦河特大桥、西寨东沟桥重车线和轻车线，实测墩全高在17.624.6m之间的圆形中高墩，其墩顶横向振幅和桥墩自振频率不能满足桥检规通常值的要求，部分超出规范要求2倍以上，桥墩横向刚度明显不足。3、重车线通过时，永定河特大桥第40孔、跨丰沙特大桥第32、33、34孔、滦河特大桥第22孔跨中横向振幅超出桥检规货列重车（v80km/h）的通常值。 4、总体看，货车作用下32m梁跨中横向振幅与列车编组有关，C62C64混编货车的跨中横向振幅较大，C76次之，C70、C61、C80、C63货车的跨中横向振幅较小。以上数据表明（测试数据见表1、表2）：墩顶横向振幅超过通常值的桥梁，桥墩式样是矩形双柱桥墩、圆形双柱桥墩两类；跨中振幅超过通常值的桥梁，主要是定型图号为叁标桥2019、专桥2039、专桥2040三种型号的梁。测试桥梁跨中横向振幅 表1桥名测试孔跨实测最大值(mm)速度(km/h)列车类型跨中横向振幅通常值(mm)桥检规安全限值(mm)永定河特大桥下行线第39孔2.1163.0C62+C64四千吨2.543.56下行线第40孔2.5770.9C62+C64两万2.54上行线第39孔2.0165.4C62+C64六千吨/上行线第40孔2.1565.4C62+C64四千吨/跨丰沙特大桥下行线第32孔2.5849.1C62+C64万吨2.543.56下行线第33孔2.5661.6C70万吨2.54下行线第34孔3.1455.8C62+C64万吨2.54上行线第32孔2.9564.0C62+C64万吨/上行线第33孔2.7265.4C62+C64万吨/上行线第34孔3.3864.0C62+C64万吨/滦河特大桥下行线第18孔2.1664.5C62+C64四千吨2.543.56下行线第22孔2.9065.8C62+C64三千吨2.54上行线第18孔1.7364.5C62+C64四千吨/上行线第22孔0.8063.6C62+C64三千吨/西寨东沟桥下行线第3孔1.5364.1C76万吨2.543.56上行线第3孔1.0763.1C70万吨/迷雾河特大桥下行线第31孔2.1170.5C62+C64五千吨2.543.56下行线第32孔2.1531.7C76万吨2.54上行线第31孔1.5458.7C63万吨/上行线第32孔1.1964.7C63六千吨/桥墩横向自振频率测试结果汇总表 表2桥名墩号实测桥墩横向自振频率(Hz)桥检规桥墩横向自振频率通常值(Hz)永定河特大桥38#1.992.1039#1.952.1040#1.992.10跨丰沙特大桥31#1.842.9832#1.842.9833#2.072.9834#2.343.23滦河特大桥上行线17#1.521.81上行线18#1.481.70上行线21#1.521.70上行线22#1.451.70下行线17#1.521.81下行线18#1.451.70下行线21#1.521.70下行线22#1.451.70西寨东沟桥下行线2#2.182.69下行线3#1.722.69上行线2#2.072.69上行线3#2.252.69迷雾河特大桥下行线30#2.622.98下行线31#2.582.98下行线32#2.543.23上行线30#2.622.98上行线31#2.582.98上行线32#2.543.23三、加固措施方案梁体加固1、加固原则加固施工前，结构应无病害，维修养护须达到“铁路桥隧建筑物大修维修规则”要求。满足25t轴重货车80km/h安全通过，梁体跨中横向自振频率和横向振幅满足“铁路桥梁检定规范”要求。尽量控制新增联结重量，减小加固后梁跨中恒载弯矩。优先考虑在梁端附近设置新增联结。新增联结的位置尽量避开原梁预应力束密集的区域。新增联结按预应力结构考虑，应保证有足够的耐久性。加固工程的实施不影响线路的正常运营。2、加固措施加厚梁两侧端横隔板。在原来端横隔板位置，加厚横隔板厚度至900mm（顺桥向），结构高385mm。梁两端腹板中间各增设一块横向水平联结板。在腹板变截面（780mm变至240mm）终点距上翼缘板350mm处，增加横向联结一处，顺桥向长1100mm，厚300mm，设预应力钢绞线4处，间距300mm。与梁端板相邻的两个横隔板处上下各增设水平联结板一处。在第二、三、七、八横隔板靠梁端一侧的上下缘部位，各增设水平联结板一处，顺桥向长400mm，厚200mm，设预应力钢绞线各2处，间距200mm。跨中腹板上部增设三块横向水平联结板。在第四、五、六横隔板处上缘和腹板相交部位增设一处水平联结板，顺桥向长900mm，厚200mm，设预应力钢绞线各2处，边距150mm。3、加固主要材料混凝土：C50级，采用普通硅酸盐水泥，坍落度控制在8-10cm。普通钢筋：HRB335级钢筋。预应力筋：15.24mm 1860MPa级低松弛无粘接钢绞线。锚具及千斤顶：DSM型低回缩锚具及配套的YQD型前卡式低回缩顶压千斤顶。桥墩加固1、加固原则加固施工前，结构应无病害，维修养护须达到“铁路桥隧建筑物大修维修规则”要求。满足25t轴重货车80km/h安全通过，墩顶横向自振频率和振幅满足“铁路桥梁检定规范”要求。加固后，在列车横向力作用下墩身各部位不得产生太大的附加应力，保证墩身各部位强度不受影响。加固后增加的重量不得影响基础承载力。实施加固过程中不影响正常行车秩序。2、加固方案对于上、下行线并行，两个桥墩比较靠近时，采用连接两个桥墩的托盘和墩帽的加固方案，使其成为框架结构。大秦线为国家重要的运煤通道，为保证加固结构的耐久性，墩帽连接采用预应力结构，在墩帽两侧设置预应力筋，终张拉后用混凝土封闭。桥墩为单线状况时，圆形中高墩采用扩大桥墩截面尺寸的加固方案，墩身加厚成圆锥体或部分圆锥体：底缘加厚1.0m，加固高度为0.6倍墩身高度。四、施工要点施工工序搭设脚手架探测加固位置梁体腹板内普通钢筋和预应力筋分布情况确定横向预应力筋的位置腹板钻孔混凝土表面凿毛及钻锚固筋孔埋设锚固筋绑扎普通钢筋布设无粘结钢绞线桥面设置混凝土灌注口立模两片梁用硬木顶紧初张拉灌注混凝土养护拆模混凝土表面涂刷养护剂（或洒水养护）撤去两片梁间顶紧硬木终张拉切割外露钢绞线及端头封锚拆除脚手架。施工要求1、钻孔严禁损伤既有预应力钢筋，尽量避免损伤既有普通钢筋；如果孔位无法避开钢筋，可适当调整钻孔位置，移动距离不应大于50mm；成孔后，孔眼应用水清洗干净。2、表面凿毛应采用小型凿毛机，凿毛面应清除原有灰浆层。3、模板应与原梁可靠联结并有足够的刚度。4、预应力筋初张拉应力为0.15fpu（39kN）。5、砼须进行配合比试验，要求三天内强度、弹性模量达到设计值的80%，如砂石料发生变化，应重做配合比试验，累计20孔梁须做一组弹性模量试验。6、在砼强度、弹性模量达到设计值的80%后，方可进行预应力筋终张拉，张拉控制应力为0.73fpu（190kN）。7、预应力筋终张拉采用YQD230100型千斤顶，先张拉至设计吨位，顶压锚固后，拉动换向阀重复张拉至设计吨位，拧紧承压螺母，以保证预应力筋回缩量小于1mm。8、所有计量装置应保持良好状态，应有检测部门的标定。9、初、终张拉前，必须在梁内横隔板、水平联结板位置的上、下方楔入硬质木块。10、必须严格执行施工过程所需的验证、检验和试验活动及验收准则。关键工序控制桥梁加固工程主要控制的关键工序有C50高强度混凝土的质量控制和低回缩预应力钢筋施工张拉中预应力保证措施。下面分别进行描述。1、C50混凝土保证强度和弹性模量的质量控制措施使用高强度等级水泥。并要求水泥具有较高的细度，因为水泥颗粒越细，比表面积越大，水化化反应越充分，从而强度也越高。限制粗集料的最大粒径。由于水泥石与集料弹性变形性能的不一致性，具有较大集料的混凝土往往难以达到很高的强度，特别是对于高强混凝土，由于水胶比较小，集料最大粒径对强度的影响更显著，因此在配制高强混凝土时要限制集料的最大粒径。掺加高效减水剂。配制高强度混凝土，由于水泥用量较多，水灰比要求较小，和易性差，流动性不好，给施工带来困难，也难于保证混凝土的质量。在大秦线桥梁加固施工拌制C50混凝土时，加入了1%的高效减水剂，对提高混凝土强度、保证施工质量均起到了积极的作用。混凝土的搅拌程序为：砂+水泥+石子+减水剂（减水剂用水稀释后倒入搅拌均匀的砂、石、水泥中），干拌均匀加2/3的用水量搅拌后加剩余的水搅拌，直至拌和物的坍落度满足配合比要求，出料。加强混凝土的养护。混凝土的养护工序从拆模后即开始，根据气候及环境条件选择洒水或表面涂刷养护剂的方法。2、低回缩张拉预应力损失是影响到预应力加固的适用范围和加固后工作状态的重要问题，预应力损失是由加固件本身和承受加固件作用的结构两方面的变形而产生。主要的具体因素有被加固件的收缩和期货变形、加固件本身徐变、传力变形和温度应变等。大秦线桥梁横向加固主要考虑的是预应力钢绞线的回缩量。本工程使用的锚具及千斤顶为DSM15-1型低回缩锚具及配套的YQD230-100型前卡式低回缩顶压千斤顶。张拉工作原理为：第一次张拉，启动油泵向千斤顶供油开始张拉后，支承套顶住锚板，千斤顶夹片夹紧钢绞线向后进行张拉，此时钢绞线带动锚具上的夹片离开锚板。张拉达到设计应力后，启动顶压设备，顶压杆向前将夹片顶进到锚板中，实现锚固。接着卸荷回油，完成锚固，此时由于钢绞线的回缩有较大应力损失。接着第二次张拉进行锁锚，以弥补应力损失。将千斤顶后部的推拉手柄拉到底，此时支承套后移不再顶住锚板，而是由顶锚套顶住锚垫板，千斤顶夹片夹住钢绞线进行张拉。张拉开始后，钢绞线带动锚具一起向后离开锚垫板，使得锚具与锚垫板之间存在一顶间隙。张拉到设计应力后，将承压螺母旋至与锚垫板密贴，回油锚固，完成张拉。这样通过第一次的张拉锚固和第二次的锁锚两步操作达到低回缩量的效果。五、效果梁体1、根据测试结果，32m简支梁加固后，梁体跨中横向振幅比加固前减小约30左右，梁端最大横向振幅比加固前减小约40，梁体的横向振动得到了有效控制；加固后梁体的整体工作性能有较大提高，加固效果良好。2、根据计算结果，叁标桥2039跨度32m简支梁采用加固实施方案后，一阶、二阶横向及扭转自振频率分别比原梁提高了19.7、25.6和15.0，一阶竖向频率仅降低0.81，加固后明显提高梁体的横向刚度，同时加强了原梁的横隔板联结，使结构的整体工作性能和耐久性得到提高。3、32m梁加固后，结构重量增加约10吨，新增恒载弯矩较小。经验算，大秦线叁标桥2019图号跨度32m预应力混凝土梁(直、曲线)在加固前的抗裂安全系数小于1.2，加固后的抗裂安全系数基本不变；大秦线叁标桥2039、专桥2059图号梁，按现行“桥规”在既有25吨轴重荷载下，加固后的跨度32m预应力混凝土梁(直、曲线)的抗裂安全系数大于1.2，其承载能力可满足使用要求。对于圆形中高墩加固1、对于两个桥墩比较靠近上、下行线并行时，采用连接两个桥墩的托盘和墩帽的加固方案，使其成为框架结构，桥墩横向自振频率可提高70左右，桥墩横向刚度明显加强；经验算，在列车横向力作用下墩身与托盘连接部位产生的附加应力较小，可满足使用要求。2、对于仅为单线状况的圆形中高墩，采用扩大桥墩截面尺寸的加固方案，加固后桥墩的横向自振频率提高约70，桥墩横向刚度的增强与形成框架结构相当。3、由于加固后增加了墩身的重量，相应增加了基础所承受的荷载，经验算，增加的重量小于25吨轴重与中活载作用下基础所承受荷载的差值，对桥墩基础承载力不存在影响。4、根据实测结果，圆形中高墩横向连接加固后，横向自振频率在2.432.69Hz，比加固前提高约6070，增加幅度与理论计算值一致；墩顶横向振幅普遍小于加固前墩顶的横向振幅，减小幅度约在50左右；加固后桥墩的横向刚度得到明显改善，桥墩的横向自振频率和墩顶横向振幅均满足桥检规通常值的要求；桥墩的横向动力性能得到了较大提高，加固效果显著。参考文献张树仁，王宗林.桥梁病害诊断与改造加固设计.人民交通出版社.2006年4月.2，197。C.F.比尔兹.结构振动分析.中国铁道出版社.1988年2月.4。张承志.建筑混凝土.化学工业出版社.2007年1月.161。蒙云，卢波.桥梁加固与改造. 人民交通出版社.2004年11月.114。王士坤.土木工程材料问答实录.机械工业出版社.2007年8月.110-112。铁道科学研究院.大秦线32m预应力砼梁横向联结加固设计图。作者简介：侯 畅 太原铁路局工务处 高级工程师 027-21115 dxk126.赵洪雁 太原铁路局工务处 高级工程师 027-21115 gwc126.张俊俭 太原铁路局工务处 高级工程师 027-21765 ZJJ6708 专心-专注-专业