桥梁横向刚度不足的检测与加固探讨

沈 冰 中国铁路上海局集团有限公司工务部

1 设备概况

合九线78#白沙河大桥位于天柱山～小池区间，单线，中心里程为K184+121，全长253.8 m，位于直线上。桥上铺设单线有缝线路，线路纵坡6‰。该桥由14 孔16 m 先张预应力混凝土T梁组成，采用橡胶板支座。全桥桥墩均为单圆柱形，采用T 形桥台，桥墩和桥台的基础均为扩大基础。基底位于砂砾岩，极严重风化，地基基本承载力300 kPa。有地下水，无侵蚀性，地表水有溶出性弱侵蚀及酸性弱侵蚀性，环境作用等级为H1。由原铁道部第四工程局施工，于1994 年竣工，该桥实景如图1所示。

图1 合九线78#全貌

2 设备检测

据设备管理单位反映，列车经过该桥时横向晃动明显。我所于2017年3月29日对该桥进行了振动测试，具体内容如下。

2.1 测点布置

选择该桥横向晃动较大的10#～13#墩区间作为测试对象，在10#～13#墩墩顶各布设一个横向振幅测点，在第11～13 孔梁跨中各布设一个横向振幅测点，在第11～13 孔梁跨中各布设一个横向加速度测点。具体测点位置和数量如表1所示，所测桥墩的技术资料如表2所示。

表1 测点位置和数量表

表2 所测桥墩技术资料

2.2 测试仪器

采用国家地震局工程力学研究所生产的891-Ⅳ型拾振仪，数据采集和分析采用东方振动和噪声技术研究所生产的INV3020智能信号采集处理分析仪，测试框图如图2所示。

图2 振动测试仪器框图

2.3 评判依据

试验评判依据主要为《铁路桥梁检定规范》（铁运函〔2004〕120号，以下简称《桥检规》）。

2.4 实测结果分析

本次振动测试利用过路客货列车进行，实测过路客车4趟，货车4趟，实测货车最低速度52 km/h，最高速度64.2 km/h。实测墩、梁振幅、频率、加速度如表3所示。

表3 实测振幅、频率、加速度统计表

由实测结果分析可知：

实测该桥第11、12、13 孔梁跨中横向最大振幅依次为2.931 mm、1.825 mm、1.471 mm，其中第11、12 孔梁的跨中横向最大振幅值均已超过《桥检规》规定的桥跨结构横向振幅行车安全限值1.778 mm，表明已对当前列车运行安全造成威胁。

实测该桥第11～13 孔梁跨中横向加速度最大值依次为2.17 m/s2、0.97 m/s2、0.71 m/s2，其中第11孔梁不满足《桥检规》规定的桥跨结构在荷载平面的横向加速度限值1.4 m/s2要求。

实测10#～13#墩墩顶横向最大振幅依次为1.328 mm、1.185 mm、0.844 mm、0.572 mm，其中第10#、11#墩墩顶最大横向振幅均已超横向振幅通常值，表明10#、11#墩横向刚度较弱。

综合分析认为：该桥梁体跨中横向最大振幅值超过行车安全限值的现象主要由桥墩墩身刚度和基础刚度不足、梁端横向限位装置失效共同作用导致。

2.5 结论与建议

所测该桥10#、11#墩的横向刚度均较弱，已对行车安全构成威胁，须立即对墩身、基础和梁体进行同步加固，建议对该桥所有桥墩及其基础进行加固。在加固完成前，须对通过该桥的客车限速60 km/h，货车限速45 km/h。

3 病害整治

根据以上检测结果，经研多方案比选和论证，最终确定整治方案。

3.1 桥墩和基础加固

在原双台阶扩大基础上，横桥向每台阶两侧各加宽1 m；并将原圆形桥墩加宽为圆端型，圆端直径2.3 m，横桥向总长3.7 m，宽2.3 m。如图3所示。

图3 桥墩、基础加固图（单位：cm）

3.2 梁体加固

根据梁孔跨式样，参照参图HJ（2008）16-I，首先加厚梁两侧端横隔板；其次在两端变截面内腹板中间各增设一块横向连结板；最后在跨中增设一块横向连结板。变截面及跨中增设的连结板处用钢绞线将两片梁张拉牢固，并密封锚头，如图4所示。

图4 梁体横向加固示意图

3.3 地基应力验算

由于加固后桥梁自重增加较大，需对地基应力进行重新验算，以确保桥梁设备安全、稳固。以2#墩为例，计算最不利情况下（双孔重载），地基应力大小。

3.3.1 荷载计算

（1）恒载计算

每孔16 m梁重：（含轨枕）q1=1551.2 kN（查表得）；

双侧钢筋混凝土人行道重：q2=10*16.5=165.0 kN；

盖梁及桥墩自重：q3=(5*0.5*2.1+(1.7+4.6)/2*0.7*1.7+3.14*0.95*0.95*14.5)*25=1252.2 kN；

扩大基础自重：q4=(2.7*3.3*1+4.1*4.7*1)*25=704.5 kN；

圆柱墩绑宽加固重：q5=4.5*14.5*25=1631.3 kN；

扩大基础加固钢筋砼自重：q6=(3.3*2+4.7*2）*25=400 kN；

并制梁击鼓钢筋混凝土自重：q7=1.9*25=47.5 kN；

恒载合计∑q=q1+q2+q3+q4+q5+q6+q7=5751.6 kN。

（2）活载计算

单孔活载重载：R=1625.4 kN（查表得）；

单孔活载重载：Myr=28.5 kN.M（查表得）；

横向摇摆力：H=100 kN（查表得）；

横向摇摆力产生的弯矩：Mx=100*16.5=1650 kN.M；

制动力或牵引力：Z=193.4 kN（查表得）；

制动力产生的弯矩：Myz=193.4*（16.5+2）=3577.9 kN.M。

3.3.2 基础应力验算

Ix=bh3/12=88.9 m4；

Iy=bh3/12=52.8 m4；

∑N=∑q+R=7377 kN；

σmɑx=∑N/A+Mxy/Ix+MyX/Iy=474.5 kPɑ；

σmin=∑N/A-Mxy/Ix-MyX/Iy=40.2 kPɑ。

计算可知σmɑx≤1.2[σ]=σ0=1.2*606=727 kPɑ，沙砾岩地基（上述公式中根据规范要求，1.主加附力作用下，地基容许承载力可较主力提高20%，2.多年运营地基可提高不超过25%）

计算基底截面中心偏心距e=M/N，基底截面为双向偏心受压：

偏心距ex=My/N=(28.5+3577.9)/7377=0.49，

m≤B/6=0.78；

偏心距eY=Mx/N=1650/7377=0.22，

m≤H/6=1.02；

故基底应力满足要求。

3.4 整治效果

经采取上述措施整治后，目前桥梁整体稳定，横向刚度已符合规范要求，满足列车正常运行条件。

4 结束语

根据合九线桥梁设备检测与加固方法，我所已基本建立起一套成熟的桥梁检测与加固体系，有效地解决了老线桥梁设备横向刚度不足的问题。随着新技术、新材料的运用，更有效的技术手段也将被逐步探索出来。我们将紧随科技进步的步伐，努力提高自身技术水平，更好地为铁路运输事业做出自己的贡献。