大秦线85号桥墩加固方案探讨

摘要：随着运量的增加，大秦线85#桥存在桥墩横向刚度不足，横向自振频率偏低，晃动明显，并且桥墩表面混凝土碳化、竖向及环向裂缝等病害。分析认为，桥墩病害原因为既有桥墩设计标准低、施工质量差及运输功能改变等。经过比选及理论数据分析后，确定采用套箍的加固方法对桥墩及部分基础进行加固。套箍法加固后，不仅解决了混凝土开裂问题，使桥墩横向自振频率有了明显的提高，避免墩顶振幅超限，满足安全运输。关键词：桥墩病害 混凝土碳化 横向自振频率 加固 方案中图分类号：TV331

文献标识码： A1.桥墩病害及成因大秦铁路是我国第一条西煤东运的大通道，主要承担山西、内蒙古、甘肃煤田的外运任务，自铁路开通以来，大秦铁路运量逐年攀升，机车，车辆及编组变化很大，现运行机车主要由SS4、SS4B、和谐号组成，车辆由C64，C70，C80组成，编组形式为万吨列车，轴重提高到25t。大秦线85号桥位于化稍营～涿鹿站之间，桥中心里程为152公里+631米，本桥为双线桥，桥上有重车线、轻车线，桥长305.19米，上下行分别有9孔，本桥桥墩身皆为钢筋混凝土结构的方柱形墩，上下行墩身与基础均不相连，1、2、8号墩基础为扩大基础，3、4、5、6、7号墩基础为桩基础。梁全部为跨度32米预应力钢筋混凝土梁。该桥既有桥墩材料：顶帽、托盘、方柱墩身为C18级钢筋混凝土，扩大基础为C13级钢筋混凝土。1.1 病害情况近几年大秦线运输量日益加大，已超过当初的设计运量，桥墩病害日益严重，主要病害有桥墩竖向及环向裂缝、桥墩表面混凝土碳化、桥墩横向刚度不足，晃车现象加剧，已严重威胁到运营安全。为了消除桥墩病害的影响，确保列车运行安全，大秦铁路委托检测单位对该桥的病害进行了全面的检测。1.1.1该桥部分桥墩横向最大振幅即使在限速工况下亦大幅超过《桥检规》重型墩通常值，同时其横向固有自振频率远低于重型墩自振频率通常值。1.1.2墩身混凝土强度较低，不符合设计强度，并且2号墩钻芯处表层约5cm的混凝土风化严重，水泥砂浆胶结物中水泥较少，颜色发白，钻芯有裂缝，一些芯样从表层断裂。1.1.3各桥墩墩身裂缝发育，以环向和纵向裂缝为主，多为深度50～150mm的非表面裂缝，且局部混凝土表层脱落严重。也有部分裂缝为表面裂缝。1.2桥墩病害原因分析桥墩病害一方面是由于近几年大秦铁路运量大幅度增加，铁路重载化导致结构使用功能改变，现在大秦线运营的货物列车轴重达25t。另一方面，施工缺陷，导致结构物混凝土强度达不到设计标准，加之长期使用过程中的表层混凝土冻融损伤、碳化造成承载力不足等诸多因素引起的。根据检测结果，为提高列车运行安全系数，需要对本桥病害桥墩采取加固措施。2.加固方案比选2.1桥墩加固的一般方法目前，钢筋混凝土桥墩的加固方法有粘贴碳纤维布加固法，压力灌浆及凿槽嵌补法，套箍加固法，改变受力体系加固法等。粘贴碳纤维布法是近年兴起的一种新型结构加固技术，纤维布具有质轻、柔软、强度高、韧性好、密度小、耐腐蚀、抗疲劳、施工简单等优点，缺点是耐火性差、价格高，缺少实际环境下耐久性数据和设计规范。使用纤维布包裹桥墩，使其产生环箍效应，可有效提升桥墩混凝土抗压强度，防止裂缝发展范围扩大，但不能有效提升桥墩刚度，主要用于桥墩抗压强度不足和表面裂缝处理。压力灌浆和凿槽嵌补法是混凝土裂缝处理的一种方式，对缝宽小于0.3mm的裂缝或表面裂缝可采用表面封闭，对0.3～0.5mm的裂缝可采用化学灌浆封闭，对0.5mm以上裂缝采用凿槽嵌补法修复，主要用于墩台裂缝修复。套箍加固法是通过增大受力面积，从而降低原结构混凝土和钢筋受力，提高桥墩的承载力和刚度。主要用于桥墩横向刚度不足，墩顶振幅超限，横向自振频率低于重型墩自振频率通常值，墩身表层混凝土碳化、破损、大面积剥落情况下的桥墩加固。改变受力体系加固法是通过增加附加构件或改变原结构构造来达到改变原结构受力体系，使桥墩受力体系和受力状况发生改变，从而起到提高桥墩刚度的作用。主要应用于双线并排桥墩横向刚度不足情况下的桥墩加固，通过将距离较近的并排的两桥墩墩顶或基础部位用钢筋混凝土构件连接，使其形成框架结构，达到增强刚度的目的。2.2 本桥桥墩加固方案的选择本桥桥墩主要存在三方面病害：第一是桥墩横向刚度不足，横向自振频率低，横向振幅偏大；其次是桥墩存在环向和纵向裂缝，部分裂缝较为严重；第三是桥墩表层混凝土碳化、风化，强度降低，部分桥墩表层混凝土大面积剥落。由于碳纤维布加固法不能有效提高桥墩横向刚度，且部分桥墩混凝土风化弱化层厚度较大，部分区域已接近5cm，使用碳纤维布加固，不能全面整治该桥存在的病害。且大秦铁路运行车辆轴重、运量与桥梁设计时有了大幅度的提高，原桥设计标准明显偏低。通过比较分析，本桥选择了套箍加固法的设计方案。根据既有病害情况，墩身套箍加固，具体形式如下示意图。图-1

2号墩套箍加固断面示意图图-2 2号墩套箍加固基础平面示意图图-3 2号墩套箍加固A-A、C-C断面示意图在原桥墩墩身及基础顶面植筋、绑扎钢筋以形成钢筋骨架后，然后再浇筑混凝土将原桥墩混凝土与套箍混凝土形成一个整体，共同受力以提高桥墩的刚度和承载能力。墩身采用C40混凝土，基础部位采用C30混凝土，墩身及基础混凝土设计如上图所示。3.桥墩加固理论数据分析3.1桥墩加固理论计算对2号桥墩首先进行地基承载力检算，同时检算基底合力的偏心，桥墩抗滑移稳定性、抗倾覆稳定性检算等，经检算均满足规范要求，在此检算过程略。横向自振频率的检算，跨度小于或等于40m，桥墩高度小于或等于40m的矩形桥墩，其自振频率可按下列简化公式计算。3.1.1桥墩基础在刚性地基时简化计算公式：f=1/T1=wf/2π

（1）（2）3.1.2桥墩基础在弹性浅基时简化计算如下：f=1/T1=w1/2π

（3）（4）（5）1）桥墩基础置于非岩石地基时（6） 2）桥墩基础嵌入岩层内较浅时式中参数表示：f-墩顶横向自振频率，Hz；b0-基础侧面土抗力的计算宽度，m；m-非岩石地基系数的比例系数；h-基础底面位于地面或一般冲刷线以下的深度，m；C0-基础底面竖向地基系数，kN/m3；a-基础底面顺外力作用方向的基础长度，m；W-基础底截面抵抗矩，m3；δ11、δ12、δ22-地基基础的柔度系数，m/kN・m；浅基础δ11=δ12=0；hf―桥墩基础的高度，m；wf-桥墩基阶振动圆频率（刚性基础）；T1-桥墩基阶振动周期，s；E-墩身材料的弹性模量，kPa；I1-墩底截面惯性矩，m4；μ1-墩底截面处线密度，t/m；H-墩顶集中质量质心至墩底的高度，m；mb-墩顶集中质量，t；w1-桥墩基阶振动圆频率；U-墩身弯曲刚度与基底弹性刚度的比值。3.2通过公式计算2号桥墩在加固前与加固后计算值如下：3.2.1对于2号墩基础置于刚性地基时：加固前：E=2.4×107，I1=31.174，μ1=36.882，mb=554.4，H=29.93，wf=9.523，得f=1.516Hz。而f

综上所述，对于2号桥墩基础置于任何形式的地基上，采用套箍加固方案，能够使桥墩横向自振频率达到规范要求，套箍加固方案可行。4.结语加固后的桥墩，在时速60km/h以下重车通过时，经检算各墩墩顶横向自振频率比加固前明显提高，横向振幅明显降低。采用墩身浇筑钢筋混凝土套箍的方法将是治理混凝土桥墩病害的很好的方法。它能有效提高既有线上本桥类型桥墩的横向自振频率和横向刚度，减小墩顶横向振幅。这一方案适用于对既有桥墩因设计标准低、施工质量差等原因导致的桥墩横向刚度不足，表层混凝土碳化、破损，墩身裂缝严重等多种病害同时存在情况的综合治理。参考文献：[1]中华人民共和国铁道部.TB10002.1-2005/J460-2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京.中国铁道出版社.2006.[2]中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号 铁路桥梁检定规范[S] .北京.中国铁道出版社.2004.[3]中华人民共和国铁道部.TB10002.5-2005/J464-2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S] .北京.中国铁道出版社.2007.[4]中华人民共和国铁道部.TB10116-99铁路桥梁抗震鉴定与加固技术规范[S] .北京.中国铁道出版社.1999.[5]中华人民共和国建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合.GB50111-2006铁路工程抗震设计规范[S] .北京.中国计划出版社.2009.