王定舉
(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北肅寧062350)
朔黃鐵路韓村大橋單圓柱橋墩加固效果試驗研究
王定舉
(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北肅寧062350)
朔黃鐵路韓村大橋采用單圓柱橋墩,橫向剛度不足,制約運輸能力,先后兩次采取加固措施。對加固后橋梁的動力性能進行了測試,分析了橋梁在運營列車作用下的動力響應(yīng)。分析結(jié)果表明:受測試列車車輛狀態(tài)的影響,橋梁動力響應(yīng)值存在一定的離散性,采用實測平均值比實測最大值來評判加固效果更為合理;單圓柱橋墩加固采用上下行橋墩橫連和加樁基礎(chǔ)加固,橋墩動力性能明顯得到改善,橋梁梁體橫向振動有所降低,所有實測指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。該橋加固效果明顯,其加固方法可為類似工程提供參考。
朔黃鐵路 單圓柱 橋墩加固 動載試驗
朔黃鐵路西起山西省神池縣,東至河北省黃驊市,全長585 km,為國家I級鐵路[1]。朔黃鐵路自2000年5月18日開通運營以來,我國早期采用轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架的C62等貨車在部分橋梁出現(xiàn)了晃車現(xiàn)象,橋梁橫向振幅偏大,其中韓村大橋(166#橋)較為明顯。2007年3月至2008年9月對韓村大橋部分墩及其基礎(chǔ)進行了第1次加固。2010年10月,石家莊鐵道學(xué)院鐵道工程檢測中心對該橋進行了運營性能試驗[2]。檢測結(jié)果表明,下行列車以80 km/h試驗速度通過測試橋跨時,3#墩墩頂橫向振幅超過《鐵路橋梁檢定規(guī)范》的通常值[3],但滿足下行線75 km/h的運營要求。因此,該橋自2010年10月下行線按速度70 km/h限速運行,上行線按速度80 km/h正常運行。
朔黃鐵路2013年運量達到2.34億t,2014年計劃運量3.06億t,為進一步提高朔黃鐵路的運輸能力,需要對韓村大橋橋墩基礎(chǔ)進行加強,以增大橋墩的橫向剛度,取消下行線限速。2013年12月對該橋進行了第2次加固,2014年1月北京交通大學(xué)對該橋進行運營性能試驗[4]。
朔黃鐵路橋梁部分采用了單線單圓柱橋墩,橋墩直徑2.0~2.4 m,與全線大量采用的雙線圓端型橋墩相比,其橫向剛度較弱。運營實踐反映出不少單圓柱型橋墩橫向動力性能較差。開展韓村大橋單圓柱橋墩加固效果試驗研究,可對朔黃線全線單圓柱橋墩橫向加固措施提供工程參考。
2.1 橋梁加固情況
朔黃鐵路韓村大橋中心里程為K353+292,全長152.42 m。上部結(jié)構(gòu)孔跨布置為3×24 m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土T梁(圖號為專橋2059)+2×32 m跨度超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土T梁(圖號為叁橋2005)。梁體支座為盆式橡膠支座(圖號為專橋8156)。該橋采用雙線鋼筋混凝土耳墻式橋臺,鉆孔樁基礎(chǔ),樁徑為0.8 m,樁長29.0~33.0 m。橋墩采用單線鋼筋混凝土單圓柱墩,雙線錯線布置,上行線墩柱截面直徑為2.0 m,下行線墩柱截面直徑為2.4 m,墩高4.5~5.5 m。地層自上而下依次為砂黏土、中砂、砂黏土、中砂、砂黏土、中砂、砂黏土、中砂。設(shè)計活載為中—活載,地震基本烈度6度,凍結(jié)深度0.6 m。本橋測試第4孔梁及3#,4#橋墩間橋跨結(jié)構(gòu)。
第1次加固方案是上下行線1#—4#墩的墩身采用寬1.2 m、高與墩身同高的鋼筋混凝土板聯(lián)結(jié),兩線承臺斜向聯(lián)結(jié)成整體,做成雙線整體橋墩,見圖1。第2次加固方案是對1#—4#墩基礎(chǔ)采用直徑0.6 m灌注樁進行加固,并設(shè)置承臺將既有兩線分離式承臺聯(lián)結(jié)為整體。由于剛性角較大,于新建承臺上設(shè)置1.0 m高加臺,新舊承臺采用植筋聯(lián)結(jié),見圖2。
2.2 試驗內(nèi)容
試驗主要測試內(nèi)容:自振頻率;梁體跨中截面豎向振幅、橫向振幅;梁體跨中截面豎向加速度、橫向加速度;墩頂橫向振幅;活動支座橫向位移;列車速度和位置。韓村大橋下行線動載試驗測點布置如圖3所示。
圖1 韓村大橋第1次橋墩及基礎(chǔ)加固示意(單位:cm)
圖2 韓村大橋第2次橋墩及基礎(chǔ)加固示意(單位:cm)
圖3 韓村大橋下行線動載試驗測點布置
2.3 試驗儀器
試驗測試內(nèi)容主要分為振幅、加速度與列車速度。振幅及加速度傳感器采用國家地震局哈爾濱工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的891—Ⅱ傳感器與積分放大器。列車速度和位置傳感器采用永磁磁鋼。各傳感器通過數(shù)據(jù)電纜連接至動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行測量。
2.4 測試列車
第1次加固后試驗(以下簡稱試驗A)測試列車類型主要為C64,C70A,共測試運營列車44趟,運營列車速度62~75 km/h,平均車速65 km/h。第2次加固后試驗(以下簡稱試驗B)共測試運營列車200趟,列車速度在61~81 km/h,平均車速69 km/h。
3.1 自振頻率
試驗A與試驗B均采用沖擊振動法對韓村大橋下行線4#梁體自振頻率進行了測量。兩次試驗實測梁體橫向自振頻率分別為3.51,3.75 Hz,實測值均大于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》橋跨結(jié)構(gòu)橫向自振頻率通常值90/L(2.81 Hz,L為梁體跨度),梁體橫向剛度滿足要求。
3.2 梁體豎向振動
試驗A、試驗B測試列車作用下,韓村大橋下行線4#梁體跨中豎向振幅最大值分別為1.94,0.89 mm。兩次試驗實測梁體豎向強振頻率與列車速度/車長均呈線性關(guān)系,并與強振頻率理論計算值(車速/車長)[5]吻合;左右兩片梁跨中豎向振幅、相位及相關(guān)關(guān)系在梁體豎向響應(yīng)的主要頻率范圍內(nèi)呈線性正相關(guān),相關(guān)系數(shù)接近1.0,說明兩片梁體豎向共同作用狀態(tài)較好。
試驗A、試驗B測試列車作用下,韓村大橋下行線4#梁體跨中豎向加速度最大值分別為1.94,1.12 m/s2,均滿足規(guī)范限值(3.50 m/s2)要求[3]。
3.3 梁跨體系橫向振動
為評估橋梁橫向加固效果,本文從梁體橫向振幅及橫向加速度、橋墩墩頂橫向振幅、活動支座橫向位移進行評價。梁跨體系橫向剛度評價方法按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》鐵路橋梁運營性能檢驗中相關(guān)規(guī)定進行,其評價指標(biāo)如表1所示。需要說明的是,韓村大橋由于采用上下行橋墩橫連等加固措施,加固后橋墩屬于特殊結(jié)構(gòu),其墩頂橫向振幅通常值《鐵路橋梁檢定規(guī)范》沒有相應(yīng)評價指標(biāo)。為評估加固效果,橋墩墩頂橫向振幅限值按未加固前的橋墩狀況計算得出。
表1 橋跨體系橫向振動評價參數(shù)[3]
試驗A與試驗B實測運營列車作用下,韓村大橋4#梁體跨中橫向振幅、3#墩與4#墩墩頂橫向振幅實測統(tǒng)計值匯總見表2。試驗A、試驗B實測4#梁體跨中橫向振幅與行車速度關(guān)系見圖4。
表2 橋梁橫向振幅實測統(tǒng)計值mm
圖4 不同列車作用下4#梁跨中橫向振幅與列車速度關(guān)系
與試驗A相比,試驗B不同列車下部分橋梁橫向振幅最大值(如4#梁體在C64作用下的橫向振幅最大值)反而有所增加,這是因為受試驗編組列車狀態(tài)、測試條件等限制,橋梁橫向振幅有一定的離散性,采用橋梁振幅最大值無法評估加固效果。
從試驗A與試驗B橋梁橫向振幅的實測平均值來看,橋梁加固后,梁體橫向振幅與橋墩墩頂橫向振幅均有所降低,且加固后橋墩墩頂橫向振幅遠小于未加固前,加固效果明顯。韓村大橋第2次加固并未對橋梁梁體進行橫向加固,但實測橋梁橫向振幅平均值卻有所降低,說明橋梁下部結(jié)構(gòu)的加固對降低橋梁梁體橫向動力響應(yīng)也有效。這與國內(nèi)外大量的車橋耦合分析結(jié)果一致[6-8]。
試驗A、試驗B測試列車作用下,韓村大橋下行線4#梁體活動支座橫向位移最大值分別為0.09,0.07 mm,遠小于規(guī)范限值(2 mm);4#梁梁體橫向加速度分別為0.68,0.89 m/s2,均滿足規(guī)范要求。這與梁體橫向振幅分析結(jié)果一致。
對朔黃鐵路韓村大橋橋墩第2次加固前后的動力性能測試結(jié)果分析表明:單圓柱橋墩加固采用上下行橋墩橫連和加樁基礎(chǔ)加固,橋墩動力性能明顯得到改善,橋梁梁體橫向振動有所降低,所有實測指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,加固效果明顯。
[1]薛繼連.朔黃重載鐵路輪軌關(guān)系[M].北京:中國鐵道出版社,2013.
[2]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2004.
[3]石家莊鐵道學(xué)院工程結(jié)構(gòu)檢測中心.朔黃鐵路韓村大橋(166#橋)檢驗報告[R].石家莊:石家莊鐵道學(xué)院,2010.
[4]北京交通大學(xué).朔黃鐵路韓村大橋(166#橋)技術(shù)狀態(tài)檢定試驗報告[R].北京:北京交通大學(xué),2014.
[5]日本鐵道綜合技術(shù)研究所.日本鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和解釋——混凝土結(jié)構(gòu)[Z].日本鐵道綜合技術(shù)研究所,2004.
[6]張楠,夏禾,郭薇薇.基于輪軌線性相互作用假定的車橋相互作用理論及應(yīng)用[J].鐵道學(xué)報,2010,32(2):66-71.
[7]LIQi,XUYoulin,WUDingjun,etal.Computer-aided Nonlinear Vehicle-bridge Interaction Analysis[J].Journal of Vibration and Control,2010,16(2):1791-1816.
[8]夏禾,張楠.車輛與結(jié)構(gòu)相互作用[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2004.
(責(zé)任審編李付軍)
U445.7+2;U443.22
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.02
1003-1995(2015)02-0005-03
2014-07-20;
2014-09-10
王定舉(1971—),男,四川南部縣人,高級工程師。