汉丹线既有唐白河大桥桥墩加固设计_

【摘要】汉丹线唐白河大桥利用既有桥架二线梁，通过外包混凝土套箍和基础周围采用钢筋石笼防护来对既有桥墩加固设计。结合桥墩检测报告对各个桥墩进行了计算比较分析，从桥墩线刚度入手说明加固效果。
【关键词】既有铁路桥桥墩加固桥梁设计
工程概况
既有桥概况
既有唐白河大桥建成于1961年，右线为既有线，左侧预留，线间距为4.0m，孔跨布置为7-32m简支T梁+2-64m下承式钢桁梁+1-32m简支T梁，全桥长402.3m。桥墩均采用圆端形双线桥墩，桥墩基础为沉井基础。
水文地质情况
唐白河由唐河、白河两水合流而得名，属于季节性平原河流，洪水季节在六、七、八、九诸月。平时河中也有水，但不大，仅可通航小船。洪水时，河水较深，洪峰持续时间一般最多不超过三天。
桥址处汇水面积F＝26400km2，
设计流量Qp＝Q1935＝14958 m3/s，
设计流速Vp＝3.20m/s，
设计水位Hp=H1935=71.19m。
河槽表层为细砂，以下地层依次为砂夹卵石，黏土层，细砂层（承压水层），高岭土层。
病害及现状
中南大学于2005年5月对既有唐白河大桥进行桥墩健康评估检测。检测发现部分桥墩的表面裂缝开展较严重，基本已布满整个墩身，各桥墩存在裂纹的面积约占墩身表面的52％～68％。其中，墩身表面裂缝最大宽度达到1.25mm，内部裂缝最深达253mm，已超出《铁路桥梁检定规范》中最大裂缝宽度限值0.35mm的规定。
设计方案构思
主要技术标准
汉丹线为既有线增建二线工程，单线绕行及双线绕行地段新建线路线下设备速度目标值按200km/h考虑。唐白河大桥采用利用既有桥架二线梁方案（双线并行），主跨单线钢桁梁更换为双线钢桁梁。
设计速度：120km/h；
设计荷载：中-活载；
设计洪水频率：百年一遇；
地震动参数：地震动峰加速度为＜0.05g,地震动反应谱特征周期为0.35s。
病害分析
中南大学对既有唐白河大桥桥墩的动力特性、混凝土强度、碳化深度、桥墩垂直度、桥墩混凝土表面及内部缺陷进行了评估检测。虽然从桥墩取芯的情况看，墩身混凝土强度基本能达到17.1Mpa。但是由于既有桥墩均为素混凝土，墩身表面裂纹开展较严重，以及火车提速和桥梁混凝土老化等因素，造成了桥墩横纵向刚度降低、振幅过大，继而使墩身裂纹扩大发展。
方案确定
桥墩的刚度即为当墩顶在发生单位位移时所需的力的大小，或称为线刚度。而线刚度的大小与墩身截面惯性矩成正比。可见，通过增大墩身截面不失为一种提高墩身刚度并达到改善桥墩动力性能的好办法。根据既有唐白河大桥现况开看，采用外包混凝土套箍不仅可以对墩身裂纹进行处理，还可提高整体刚度。外包混凝土可通过植筋法完成，并增加护面钢筋网，以减小墩身表面由于受拉应力而产生裂纹的可能。
桥墩加固设计
冲刷计算及分析
唐白河大桥6～8号墩为水中墩，常年有流水，冲刷明显。为明确冲刷是否对墩身有影响，需计算进行验证。
由于既有唐白河大桥已经建成近50年，桥址附近冲刷严重，现在已不能利用桥址处断面计算出真实水文成果。故应利用竣施工图中断面，通过标高系统换算，再按水利学公式计算出设计流量、设计流速和设计水位等水文成果。
通过比较现在实测的地面线与老汉丹线唐白河桥的竣工图断面数据可以发现，两者河滩标高相差不大，而河床差值最多达近10m。6～8号墩现实测地面标高与计算的一般冲刷标高吻合。5、9号墩由于实际有护坡浆砌片石的护砌，造成现在实测标高与计算一般冲刷标高差8m左右，而与竣工图的地面标高相差不大。说明河岸护坡在多年的冲刷防护中起了相当大的作用。考虑到既有桥的建成年代久远，经过多年的冲刷作用，整个河床基本已趋于冲淤平衡状态。但桥墩附近由于受冲刷作用，地面标高有继续向下的趋势，这与局部冲刷计算情况一致。可见，采用的冲刷公式能够准确反映出桥墩及河床的冲刷情况，而是否需对局部冲刷进行防护处理，需通过进一步计算分析后才能确定。
线刚度计算及分析
现在铁路桥墩设计中引入了线刚度的要求，即产生单位位移所需要的力K＝p/q。其中P为初始单位水平力，普通铁路一般可取100KN，q表示位移
量。墩顶的水平位移实际包含了墩身本身的水平位移和基础转角引起的水平位移两部分。既有唐白河大桥的1～6号墩为圆端形变坡坡率墩，墩身截面惯性矩会随着高度改变而变化。
陆上各桥墩纵向线刚
度完全能够满足设计要求，可以达到目标速度值。通过计算发现，7、8号墩的位移过大主要由基础转角过大引起。分析原因可能有两点，一是沉井截面过小，7、8号墩沉井底截面的惯性矩仅为6号墩的85％；二是冲刷标高较低，原设计沉井基础已露出河床多达9m。虽然7、8号墩在继续受冲刷作用下能够勉强满足线刚度大于400KN/cm的要求，但从安全储备和实际可能与理论存在一定偏差等考虑，因此必须对水中墩进行防局部冲刷的处理措施。
套箍锚固设计
设计采用外包混凝土套箍方案。为了使外层混凝土与原有墩身较好的结合，可采用较为成熟的植筋技术。混凝土标号不宜与原桥墩混凝土标号
相差过大，采用C20混凝土。钢钎采用16x450mm牵钉，相邻牵钉按横竖向间距100cm错位布置。钢钎主要起固定护面钢筋网和锚固加强墩身整体性的作用。
钢钎的锚固剂可采用植筋胶。因为植筋胶在旧桥加固中应用广泛，具有技术成熟操作方便等特点，所以对本桥情况较适用。根据相关技术要求，植筋深度不应小于15d。钢钎应伸入原墩身不小于33cm，外包混凝土厚15cm，并按3.5cm净保护层预留钢钎和固定护面钢筋网。
沉井基础检算
墩身外包一层15cm厚的混凝土，会造成自重增加，因此需对基础的承载能力重新检算，看此方案是否可行。沉井基础计算主要包括了地基容许
承载力、主力时基底应力和主加附基底应力等内容。
通过按外包混凝土套箍后尺寸和现在地面标高进行计算，既有沉井基础基本可以满足设计要求。值得注意的是，部分基础在按现况下计算只是勉强满足要求，若冲刷继续发展下去则可能造成沉井基础承载力不足并对桥梁产生危害。
结果分析
对汉丹线既有唐白河大桥桥墩分别进行冲刷计算、线刚度计算和基础检算的结果情况来看，水中桥墩须采取防护措施。根据桥址处水文情况河槽内桥墩基础周围应采用钢筋石笼防护，河滩上采用浆砌片石护砌，以避免局部冲刷继续发展。
对于关于墩身评估检测报告中提到的未来双线通行时振幅超限的问题，分析原因可能有以下几点。一是检测仅对现在的单线行车有实测数据，而双线行车条件下的振幅数据是通过叠加而得，可能与实际情况存在差异；二是在墩身病害裂纹较多时，其检测到的迫振曲线段会出现低频、偏振等不正常波形。所以，应在既有桥墩进行加固处理完毕，同时双线运营后，再实测相关数据并对此问题进行研究。
由此可见，对于既有桥墩的冲刷和裂纹等病害处理是相当必要的。可以认为既有唐白河大桥桥墩加固方案可行，基础防局部冲刷和外包混凝土套箍加固均能满足设计要求。
结语
唐白河大桥为汉丹线增建二线工程中唯一一座采用利用既有桥架二线梁方案的桥梁。考虑既有桥始建于60年代，经过多年高负荷运营，病害较
多，而现在铁路已经历了六次提速，相关规范又经过了多次修订，设计标准都相应提高。因此须对全桥按新规范重新检算，看是否能够满足设计要求。对于像这种情况较复杂的既有桥梁设计，应先对主要结构或存在病害的结构进行详细检测，再通过对检测数据进行分析，提出可行合理的方案，并完成相关的设计。希望本桥的设计亦可为以后类似的既有桥梁的病害处理提供借鉴。本桥已于2007年5月完成施工，现在单线行车运营情况良好。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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