9大秦線重載條件下橋梁加固措施已修改

1、大秦線重載條件下橋梁加固措施侯暢 趙洪雁 張俊儉太原鐵路局工務處 030013摘要：2005年以來，大秦線開行了2萬噸重載列車，年運量首次達到了2億噸，2006年運量實現(xiàn)了2.5億噸，2007年運量將突破3億噸，隨著運量的不斷增加，大秦線橋梁結構缺陷和病害逐漸暴露，長期運營會導致橋梁的損傷甚至疲勞破壞，結構病害會呈逐步惡化趨勢，影響重載列車的運營安全。本文針對跨度為32m橋梁橫向振動超限、橫隔板斷裂，中高橋墩橫向振動增大的問題，提出了在對具有代表性的橋梁進行科學檢測的基礎上，制定了對梁體進行橫向預應力加固，對中高橋墩進行上下行墩帽聯(lián)結或加大墩身截面的措施，對施工過程需重點控制的C50高強混凝土

2、強度和彈性模量質量保證措施及低回縮量預應力鋼絞線張拉施工工藝進行了闡述，為重載條件下鐵路橋梁提出了結構加固方案和施工指導性意見。關鍵詞：鐵路 重載 橋梁 加固為適應鐵路跨越式發(fā)展，2005年鐵道部決定在大秦線開行了2萬噸長大重載列車，軸重由21t提高到25t，列車編組數(shù)量由120輛增加到240輛，年運量達到了2億噸，2006年運量實現(xiàn)了2.5億噸，2007年預計年運量達到3億噸，最終將實現(xiàn)年運量4億噸的目標。隨著運量的不斷增加，橋梁的各種病害日益突出，使用性能不斷下降，尤其是跨度為32.0m預應力混凝土梁因橫向聯(lián)結偏弱，橫隔板斷裂現(xiàn)象逐年增劇，單線中高圓柱型墩橫向振動偏大。在列車通過時，個別橋

3、甚至出現(xiàn)了因擺動太大而導致的接觸網(wǎng)脫弓現(xiàn)象。為了保證運輸安全，確保設備的正常使用狀態(tài)，滿足運量不斷增長的需要，必須對橋梁進行加固。橋梁加固總體方案的選定是關系到結構加固工程的全局性問題，方案選擇的正確與否，直接關系到加固工程的效果。為此，我局請鐵道科學研究院對大秦線有關病害橋梁進行了檢測試驗和評估，在做出測試結論和對結構科學評價的基礎上，根據(jù)技術、經(jīng)濟條件和使用要求，有針對性地制定了加固方案。2007年我局首先安排對定型圖號為叁標橋2019、跨度為32m的梁及部分單線圓柱型橋墩進行了加固，取得了很好的效果。一、概況大秦線是我國第一條重載鐵路和雙線電氣化運煤專線，西起大同樞紐，在北同蒲線韓家?guī)X站

4、接軌，經(jīng)山西省、河北省、北京市、天津市，至秦皇島市的柳村，全長653.02km。大秦線分兩期工程建設，第一期工程為韓家?guī)X至大石莊，1988年開通，第二期工程為大石莊至秦皇島，1992年開通。設計SS4型單機牽引列車重量為6000噸，雙機牽引列車重量為10000噸，貨車軸重21噸,主要車型為C61、C61Y、C62、C63A和C64。在近20年的發(fā)展過程中，先后開行了重量為4000t、5000t、6000t、10000t及20000t的貨物列車。大秦線為典型山區(qū)鐵路，共有橋梁493座65696延長米4448孔，主要梁式有跨度8.0m的板梁178孔，占梁孔總數(shù)的4%、12-20m低高度T型并置梁4

5、49孔，占梁孔總數(shù)的10.1%、24m和32m預應力鋼筋砼T梁3562孔，占梁孔總數(shù)的80.1%。跨度為32m的預應力鋼筋砼T梁共有2296孔，主要有三種定型圖號，其中叁標橋2019的有929孔，專橋2039（2040）的有1003孔，專橋2059（2059A、B）的有330孔孔，從工務段有關橋梁工區(qū)設備調查數(shù)據(jù)來看，橋梁振動從大到小依次為叁標橋2019、專橋2039（2040）、專橋2059（2059A、B）。初步分析，橋梁發(fā)生較大振動的原因主要有以下幾點：1、列車密度和牽引數(shù)量的增加，加大了活載對橋梁的沖擊頻率和次數(shù)。按年運量2.5億噸、考慮開行萬噸、兩萬噸及其他編組概率相同計算，每天通過

6、橋梁的車輛約有9780輛左右，也就是說每天對每孔梁加載6500次左右。2、橋梁梁體橫向剛度偏弱，腹板最小厚度只有160-240mm。3、“T”型分片式梁體橫隔板強度不足。設計過程中，橫隔板的構造本來就是一個薄弱的環(huán)節(jié)，再加上對大秦線運量快速發(fā)展未予充分考慮，橫隔板沒有任何加強，現(xiàn)場有部分橋梁的橫隔板混凝土脫落的情況很多，角鋼與鋼板開焊換情況也不少見。4、列車輪對的蛇行運動造成車輛的左右擺動，當列車編組較長（超過約100輛）時，編在尾部一定范圍內的車輛的橫向擺動（鞭振）也會很大，當列車擺動頻率與橋梁自振頻率成比例關系時，對梁體或梁跨結構形成激振。二、橋梁檢測方案橋梁的選擇根據(jù)現(xiàn)場調查情況，選取了

7、不同高度、不同定型圖號、不同使用環(huán)境具有代表性的橋梁8座，具體情況如下。大秦線試驗橋梁表序號中心里程橋號橋名單、雙線橋測試孔跨1K213.299121永定河特大橋雙線橋上下行38、39、40號墩及梁跨2K215.170122跨豐沙特大橋雙線橋上下行31、32、33、34號墩及梁跨3K510.173307灤河特大橋單線橋（下行）下行17、18、21、22號墩及梁跨4K510.173307A灤河特大橋單線橋（上行）上行17、18、21、22號墩及梁跨5K524.543311西寨東溝橋單線橋（下行）下行2、3號墩及梁跨6K524.543311西寨東溝橋單線橋（上行）上行2、3號墩及梁跨7K600.7

8、49353迷霧河特大橋單線橋（下行）下行30、31、32號墩及梁跨8K600.749353迷霧河特大橋單線橋（上行）上行30、31、32號墩及梁跨測試內容1、梁體豎向振動（含強振頻率、振幅、自振頻率、阻尼比）測試列車通過橋梁時梁體跨中豎向振動（含強振頻率、振幅），分析豎向激勵特征和梁體是否產生豎向共振現(xiàn)象；通過用環(huán)境微振動法或余振法測試梁體豎向固有特性（含自振頻率、阻尼比），以評定梁體豎向剛度。2、梁體橫向振動（含強振頻率、振幅、自振頻率、阻尼比）測試列車通過橋梁時梁體跨中橫向振動（含強振頻率、振幅），以分析橫向激勵特征和評定梁體橫向剛度；通過用環(huán)境微振動法或余振法測試梁體橫向固有特性（含自振

9、頻率、阻尼比），以評定梁體橫向剛度。3、橋面豎向和橫向振動加速度測試列車通過橋梁時橋面豎向振動加速度，以評定橋上橋道碴是否能保持良好狀態(tài)；通過測試橋面橫向振動加速度，以評定梁體橫向剛度。4、橋墩橫向振動（含振幅、自振頻率）測試列車通過橋梁時墩頂橫向振動（含強振頻率、振幅），以分析橫向激勵特征和評定橋墩橫向剛度；通過用環(huán)境微振動法或余振法測試橋墩橫向自振頻率，以評定橋墩橫向剛度。5、列車速度和位置測試列車速度和位置，以分析在某些測試參數(shù)超標時列車在橋上的排列，找出產生異常激勵的車輛。評判標準本次試驗數(shù)據(jù)評判主要依據(jù)鐵運函2004120號鐵路橋梁檢定規(guī)范。鐵路橋梁檢定規(guī)范指出鐵路橋梁運營性能檢驗有

10、兩種判別值：行車安全限值：保證列車以規(guī)定的速度安全通過，橋梁結構必須滿足的限值，超過此值，應即采取必要的措施。通常值：合格橋梁在正常運營中實測值的上限（撓度、振幅）、下限（頻率）或均值（結構校驗系數(shù)）。鐵路橋梁在運營過程中，如超過此值，應仔細檢查橋梁結構是否存在隱藏的病害，同時調查列車曾否產生異常的激勵。主要判別值如下1、跨中橫向振幅的行車安全限值：預應力鋼筋混凝土梁Amax5%=L/9000。2、梁體橫向振動加速度限值：ä = 1.4m/s2。3、橫向剛度的通常值：預應力混凝土梁，跨中橫向振幅Amax5% =L/14.7B(mm)（客車、160<v200km/h）；橫向自振頻

11、率90/L(Hz)。4、墩頂橫向振幅及橋墩橫向自振頻率的通常值：由于分類和公式較為復雜，現(xiàn)僅列出檢測有關的樁基礎的情況。墩頂橫向振幅Amax5%=(H+h)2/100B+0.2, 橋墩橫向自振頻率f241B/H，其中H為墩全高，B為墩身橫向平均寬度，h和1為與地基土特征有關的系數(shù)。檢測結論1、所有測試橋墩橫向自振頻率均超過橋檢規(guī)的通常值。2、跨豐沙、迷霧河、灤河特大橋、西寨東溝橋重車線和輕車線，實測墩全高在17.624.6m之間的圓形中高墩，其墩頂橫向振幅和橋墩自振頻率不能滿足橋檢規(guī)通常值的要求，部分超出規(guī)范要求2倍以上，橋墩橫向剛度明顯不足。3、重車線通過時，永定河特大橋第40孔、跨豐沙特大

12、橋第32、33、34孔、灤河特大橋第22孔跨中橫向振幅超出橋檢規(guī)貨列重車（v80km/h）的通常值。 4、總體看，貨車作用下32m梁跨中橫向振幅與列車編組有關，C62C64混編貨車的跨中橫向振幅較大，C76次之，C70、C61、C80、C63貨車的跨中橫向振幅較小。以上數(shù)據(jù)表明（測試數(shù)據(jù)見表1、表2）：墩頂橫向振幅超過通常值的橋梁，橋墩式樣是矩形雙柱橋墩、圓形雙柱橋墩兩類；跨中振幅超過通常值的橋梁，主要是定型圖號為叁標橋2019、專橋2039、專橋2040三種型號的梁。測試橋梁跨中橫向振幅 表1橋名測試孔跨實測最大值(mm)速度(km/h)列車類型跨中橫向振幅通常值(mm)橋檢規(guī)安全限值(mm

13、)永定河特大橋下行線第39孔2.1163.0C62+C64四千噸2.543.56下行線第40孔2.5770.9C62+C64兩萬2.54上行線第39孔2.0165.4C62+C64六千噸/上行線第40孔2.1565.4C62+C64四千噸/跨豐沙特大橋下行線第32孔2.5849.1C62+C64萬噸2.543.56下行線第33孔2.5661.6C70萬噸2.54下行線第34孔3.1455.8C62+C64萬噸2.54上行線第32孔2.9564.0C62+C64萬噸/上行線第33孔2.7265.4C62+C64萬噸/上行線第34孔3.3864.0C62+C64萬噸/灤河特大橋下行線第18孔2.1

14、664.5C62+C64四千噸2.543.56下行線第22孔2.9065.8C62+C64三千噸2.54上行線第18孔1.7364.5C62+C64四千噸/上行線第22孔0.8063.6C62+C64三千噸/西寨東溝橋下行線第3孔1.5364.1C76萬噸2.543.56上行線第3孔1.0763.1C70萬噸/迷霧河特大橋下行線第31孔2.1170.5C62+C64五千噸2.543.56下行線第32孔2.1531.7C76萬噸2.54上行線第31孔1.5458.7C63萬噸/上行線第32孔1.1964.7C63六千噸/橋墩橫向自振頻率測試結果匯總表 表2橋名墩號實測橋墩橫向自振頻率(Hz)橋檢

15、規(guī)橋墩橫向自振頻率通常值(Hz)永定河特大橋38#1.992.1039#1.952.1040#1.992.10跨豐沙特大橋31#1.842.9832#1.842.9833#2.072.9834#2.343.23灤河特大橋上行線17#1.521.81上行線18#1.481.70上行線21#1.521.70上行線22#1.451.70下行線17#1.521.81下行線18#1.451.70下行線21#1.521.70下行線22#1.451.70西寨東溝橋下行線2#2.182.69下行線3#1.722.69上行線2#2.072.69上行線3#2.252.69迷霧河特大橋下行線30#2.622.98下

16、行線31#2.582.98下行線32#2.543.23上行線30#2.622.98上行線31#2.582.98上行線32#2.543.23三、加固措施方案梁體加固1、加固原則加固施工前，結構應無病害，維修養(yǎng)護須達到“鐵路橋隧建筑物大修維修規(guī)則”要求。滿足25t軸重貨車80km/h安全通過，梁體跨中橫向自振頻率和橫向振幅滿足“鐵路橋梁檢定規(guī)范”要求。盡量控制新增聯(lián)結重量，減小加固后梁跨中恒載彎矩。優(yōu)先考慮在梁端附近設置新增聯(lián)結。新增聯(lián)結的位置盡量避開原梁預應力束密集的區(qū)域。新增聯(lián)結按預應力結構考慮，應保證有足夠的耐久性。加固工程的實施不影響線路的正常運營。2、加固措施加厚梁兩側端橫隔板。在原來端

17、橫隔板位置，加厚橫隔板厚度至900mm（順橋向），結構高385mm。梁兩端腹板中間各增設一塊橫向水平聯(lián)結板。在腹板變截面（780mm變至240mm）終點距上翼緣板350mm處，增加橫向聯(lián)結一處，順橋向長1100mm，厚300mm，設預應力鋼絞線4處，間距300mm。與梁端板相鄰的兩個橫隔板處上下各增設水平聯(lián)結板一處。在第二、三、七、八橫隔板靠梁端一側的上下緣部位，各增設水平聯(lián)結板一處，順橋向長400mm，厚200mm，設預應力鋼絞線各2處，間距200mm?？缰懈拱迳喜吭鲈O三塊橫向水平聯(lián)結板。在第四、五、六橫隔板處上緣和腹板相交部位增設一處水平聯(lián)結板，順橋向長900mm，厚200mm，設預應力鋼

18、絞線各2處，邊距150mm。3、加固主要材料混凝土：C50級，采用普通硅酸鹽水泥，坍落度控制在8-10cm。普通鋼筋：HRB335級鋼筋。預應力筋：15.24mm 1860MPa級低松弛無粘接鋼絞線。錨具及千斤頂：DSM型低回縮錨具及配套的YQD型前卡式低回縮頂壓千斤頂。橋墩加固1、加固原則加固施工前，結構應無病害，維修養(yǎng)護須達到“鐵路橋隧建筑物大修維修規(guī)則”要求。滿足25t軸重貨車80km/h安全通過，墩頂橫向自振頻率和振幅滿足“鐵路橋梁檢定規(guī)范”要求。加固后，在列車橫向力作用下墩身各部位不得產生太大的附加應力，保證墩身各部位強度不受影響。加固后增加的重量不得影響基礎承載力。實施加固過程中不

19、影響正常行車秩序。2、加固方案對于上、下行線并行，兩個橋墩比較靠近時，采用連接兩個橋墩的托盤和墩帽的加固方案，使其成為框架結構。大秦線為國家重要的運煤通道，為保證加固結構的耐久性，墩帽連接采用預應力結構，在墩帽兩側設置預應力筋，終張拉后用混凝土封閉。橋墩為單線狀況時，圓形中高墩采用擴大橋墩截面尺寸的加固方案，墩身加厚成圓錐體或部分圓錐體：底緣加厚1.0m，加固高度為0.6倍墩身高度。四、施工要點施工工序搭設腳手架探測加固位置梁體腹板內普通鋼筋和預應力筋分布情況確定橫向預應力筋的位置腹板鉆孔混凝土表面鑿毛及鉆錨固筋孔埋設錨固筋綁扎普通鋼筋布設無粘結鋼絞線橋面設置混凝土灌注口立模兩片梁用硬木頂緊初

20、張拉灌注混凝土養(yǎng)護拆模混凝土表面涂刷養(yǎng)護劑（或灑水養(yǎng)護）撤去兩片梁間頂緊硬木終張拉切割外露鋼絞線及端頭封錨拆除腳手架。施工要求1、鉆孔嚴禁損傷既有預應力鋼筋，盡量避免損傷既有普通鋼筋；如果孔位無法避開鋼筋，可適當調整鉆孔位置，移動距離不應大于50mm；成孔后，孔眼應用水清洗干凈。2、表面鑿毛應采用小型鑿毛機，鑿毛面應清除原有灰漿層。3、模板應與原梁可靠聯(lián)結并有足夠的剛度。4、預應力筋初張拉應力為0.15fpu（39kN）。5、砼須進行配合比試驗，要求三天內強度、彈性模量達到設計值的80%，如砂石料發(fā)生變化，應重做配合比試驗，累計20孔梁須做一組彈性模量試驗。6、在砼強度、彈性模量達到設計值的8

21、0%后，方可進行預應力筋終張拉，張拉控制應力為0.73fpu（190kN）。7、預應力筋終張拉采用YQD230100型千斤頂，先張拉至設計噸位，頂壓錨固后，拉動換向閥重復張拉至設計噸位，擰緊承壓螺母，以保證預應力筋回縮量小于1mm。8、所有計量裝置應保持良好狀態(tài)，應有檢測部門的標定。9、初、終張拉前，必須在梁內橫隔板、水平聯(lián)結板位置的上、下方楔入硬質木塊。10、必須嚴格執(zhí)行施工過程所需的驗證、檢驗和試驗活動及驗收準則。關鍵工序控制橋梁加固工程主要控制的關鍵工序有C50高強度混凝土的質量控制和低回縮預應力鋼筋施工張拉中預應力保證措施。下面分別進行描述。1、C50混凝土保證強度和彈性模量的質量控制

22、措施使用高強度等級水泥。并要求水泥具有較高的細度，因為水泥顆粒越細，比表面積越大，水化化反應越充分，從而強度也越高。限制粗集料的最大粒徑。由于水泥石與集料彈性變形性能的不一致性，具有較大集料的混凝土往往難以達到很高的強度，特別是對于高強混凝土，由于水膠比較小，集料最大粒徑對強度的影響更顯著，因此在配制高強混凝土時要限制集料的最大粒徑。摻加高效減水劑。配制高強度混凝土，由于水泥用量較多，水灰比要求較小，和易性差，流動性不好，給施工帶來困難，也難于保證混凝土的質量。在大秦線橋梁加固施工拌制C50混凝土時，加入了1%的高效減水劑，對提高混凝土強度、保證施工質量均起到了積極的作用?；炷恋臄嚢璩绦驗椋?/p>

23、砂+水泥+石子+減水劑（減水劑用水稀釋后倒入攪拌均勻的砂、石、水泥中），干拌均勻加2/3的用水量攪拌后加剩余的水攪拌，直至拌和物的坍落度滿足配合比要求，出料。加強混凝土的養(yǎng)護?；炷恋酿B(yǎng)護工序從拆模后即開始，根據(jù)氣候及環(huán)境條件選擇灑水或表面涂刷養(yǎng)護劑的方法。2、低回縮張拉預應力損失是影響到預應力加固的適用范圍和加固后工作狀態(tài)的重要問題，預應力損失是由加固件本身和承受加固件作用的結構兩方面的變形而產生。主要的具體因素有被加固件的收縮和期貨變形、加固件本身徐變、傳力變形和溫度應變等。大秦線橋梁橫向加固主要考慮的是預應力鋼絞線的回縮量。本工程使用的錨具及千斤頂為DSM15-1型低回縮錨具及配套的YQ

24、D230-100型前卡式低回縮頂壓千斤頂。張拉工作原理為：第一次張拉，啟動油泵向千斤頂供油開始張拉后，支承套頂住錨板，千斤頂夾片夾緊鋼絞線向后進行張拉，此時鋼絞線帶動錨具上的夾片離開錨板。張拉達到設計應力后，啟動頂壓設備，頂壓桿向前將夾片頂進到錨板中，實現(xiàn)錨固。接著卸荷回油，完成錨固，此時由于鋼絞線的回縮有較大應力損失。接著第二次張拉進行鎖錨，以彌補應力損失。將千斤頂后部的推拉手柄拉到底，此時支承套后移不再頂住錨板，而是由頂錨套頂住錨墊板，千斤頂夾片夾住鋼絞線進行張拉。張拉開始后，鋼絞線帶動錨具一起向后離開錨墊板，使得錨具與錨墊板之間存在一頂間隙。張拉到設計應力后，將承壓螺母旋至與錨墊板密貼，

25、回油錨固，完成張拉。這樣通過第一次的張拉錨固和第二次的鎖錨兩步操作達到低回縮量的效果。五、效果梁體1、根據(jù)測試結果，32m簡支梁加固后，梁體跨中橫向振幅比加固前減小約30左右，梁端最大橫向振幅比加固前減小約40，梁體的橫向振動得到了有效控制；加固后梁體的整體工作性能有較大提高，加固效果良好。2、根據(jù)計算結果，叁標橋2039跨度32m簡支梁采用加固實施方案后，一階、二階橫向及扭轉自振頻率分別比原梁提高了19.7、25.6和15.0，一階豎向頻率僅降低0.81，加固后明顯提高梁體的橫向剛度，同時加強了原梁的橫隔板聯(lián)結，使結構的整體工作性能和耐久性得到提高。3、32m梁加固后，結構重量增加約10噸，新增恒載彎矩較小。經(jīng)驗算，大秦線叁標橋2019圖號跨度32m預應力混凝土梁(直、曲線)在加固前的抗裂安全系數(shù)小于1.2，加固后的抗裂安全系數(shù)基本不變；大秦線叁標橋2