摘要：鐵路橋梁支座病害產(chǎn)生原因復雜，病害整治施工過程對鐵路運輸秩序影響較大，高速鐵路橋梁由于梁體自重大，單個支座所承受的荷載遠大于普速鐵路橋梁支座所承受的荷載，支座的更換難度增加，施工時容易破壞梁體，甚至影響高速鐵路運輸安全。本文結(jié)合實際工程項目，分析有砟高鐵連續(xù)梁支座病害的成因，提出支座設計及更換方案，并對橋梁結(jié)構以及軌道變形進行驗算。經(jīng)運營檢驗，整治方案效果良好，可供類似工程參考。

關鍵詞：鐵路橋梁；支座病害；整治

1病害情況及成因分析

1.1橋梁概況

某Ⅰ級高速鐵路特大橋全長1 744.592 m，為有砟軌道結(jié)構，由60 kg/m鋼軌、彈條Ⅴ型扣件、預制軌枕、道砟等組成。該橋全橋孔跨布置：6-12 m框架+13-32 m簡支T形梁+3-24 m簡支T形梁+9-32 m簡支T形梁+2-20 m簡支T形梁+4-32 m簡支T形梁+4-24 m簡支T形梁+13-32 m簡支T形梁+（40+56+40） m連續(xù)梁+1-32 m簡支T形梁，其中連續(xù)梁布置如圖1所示。由圖1可知，58號橋墩一端為（40+56+40） m連續(xù)梁，另一端為32 m單線簡支T形梁，其支座布置如圖2所示。

由圖2可知，58號橋墩連續(xù)梁側(cè)布置一個縱向支座及一個多向活動支座，支座類型為GTQZ-4000-ZX、GTQZ-4000-DX型球形支座；橋墩簡支梁側(cè)布置兩個固定支座，支座類型為2 500 kN型盆式橡膠支座。

需要更換的連續(xù)梁GTQZ-4000支座型號和主要參數(shù)見表1。

1.2病害情況

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該橋58號橋墩的多向與縱向支座的上座板彎曲變形都很嚴重，其上座板彎曲矢度值最大分別為20 mm和13 mm。兩類支座上座板與墊石的凈距見表2?，F(xiàn)場支座病害情況如圖3和圖4所示。

該橋墩無防落梁擋塊，支座上座板中間位置凹進梁底，且支座附近梁底可見明顯的蜂窩及空洞。初步判斷該處上座板變形是由梁底空洞導致。

1.3梁底部缺陷監(jiān)測

2021年11月委托專業(yè)機構使用混凝土結(jié)構質(zhì)量掃描系統(tǒng)，通過彈性波二維斷面計算機層析掃描成像（CT）技術對該橋58號橋墩箱梁端板混凝土質(zhì)量情況進行了檢測。測試結(jié)果顯示，58號橋墩箱梁端板檢測范圍內(nèi)混凝土存在兩處軟弱區(qū)：第一層距激發(fā)側(cè)深0～3.00 m，距小里程0.75～1.00 m處存在軟弱區(qū)；第三層測區(qū)內(nèi)混凝土存在軟弱區(qū)和不均勻（缺陷）現(xiàn)象；第二層測區(qū)內(nèi)未見混凝土存在明顯不均勻（缺陷）現(xiàn)象。

根據(jù)檢測結(jié)論報告，在橫橋向0～3 m范圍內(nèi)，底層0～10 cm的混凝土空洞主要集中在支座附近和梁體中線位置；中部10～30 cm范圍內(nèi)混凝土質(zhì)量完好；上部30～50 cm范圍內(nèi)混凝土存在較大范圍的空洞現(xiàn)象。

1.4病害成因分析

通過查閱竣工資料、分析支座結(jié)構以及橋墩的周邊環(huán)境發(fā)現(xiàn)，造成58號橋墩支座病害的原因主要有以下三個方面。

（1）支座脫空：支座墊石和梁底鋼板不水平，同時梁體現(xiàn)澆混凝土存在振搗不密實而導致的內(nèi)部空洞。這是該處連續(xù)梁縱向、多向支座發(fā)生變形、內(nèi)陷的主要原因。

（2）支座異常變形：施工過程中落梁時不夠平穩(wěn)，支座存在較大的初始剪切變形。

（3）支座不能正?；瑒樱憾枕斅溆写罅康幕炷晾?，且不銹鋼板銹蝕，導致支座摩阻力變大。

2病害整治方案設計

如前文所述，本橋58號橋墩支座病害主要是由于支座墊石和梁底鋼板不水平，同時梁體現(xiàn)澆混凝土存在內(nèi)部空洞造成，因此支座病害整治前必須對梁底不密實的問題先進行整治，然后再對病害支座進行更換。

2.1梁底混凝土缺陷整治方案

（1）首先將底板可見的混凝土蜂窩麻面劣化層鑿除，露出混凝土新面，并對露出鋼筋進行除銹，涂刷界面劑并使用砂漿修復劣化層，最后進行表層修復。

（2）梁底厚度為70 cm，寬度為5.3 m。根據(jù)檢測報告，底層0～10 cm的混凝土空洞主要集中在梁底0～3 m范圍內(nèi)。為確保梁底0～10 cm范圍的缺陷整治效果，方便對梁底缺陷處注漿，在梁底梁支座間向上打孔，孔徑1 cm，孔深10 cm，布置間距30 cm×30 cm。

（3）由檢測報告可知，梁底中上部30～50 cm范圍內(nèi)混凝土存在較大范圍空洞。由于底板上部結(jié)構主要承受拉應力，而拉應力由底板上層鋼筋網(wǎng)承擔，同時該區(qū)域為預應力鋼筋封錨端，考慮注膠孔鉆孔過程中可能會對抗拉鋼筋及預應力鋼筋造成損傷，本次病害整治不進行梁底中上部30～50 cm區(qū)域混凝土的注膠補強。

2.2支座病害整治方案

綜合考慮橋梁運營、社會影響、投資等因素，本橋支座病害整治采用設置臨時支座，頂升梁體拆除病害支座，落梁至臨時支座，梁底缺陷整后更換新支座，最后頂升落梁至新支座的方案。

2.2.1頂升系統(tǒng)布置

采用SJFD-150-50型千斤頂，千斤頂高170 mm、外徑220 mm、頂升力150 t（為方便表述，頂升力換算為噸力，1 t≈10 kN）。每個支座布置4臺千斤頂，油頂活塞與梁體、加寬墊石接觸面分別采用15 cm×15 cm和30 cm×30 cm的2 cm厚鋼板分散應力。千斤頂平面布置如圖5所示。

千斤頂頂升力為150 t，則每個支座4臺千斤頂共可提供600 t頂升力，而單個支座處的最大受力為400 t，故具有1.5倍以上的安全儲備系數(shù)。千斤頂?shù)淖畲箢~定油壓為70 MPa，實際工作時，千斤頂?shù)挠蛪盒∮?0/2 MPa=35 MPa。千斤頂?shù)耐庥^底面積為3 9300 mm2，油缸面積為2 1428 mm2，則千斤頂?shù)酌娴膲簯?5×21 428/39 300=19.1（MPa）。采用鋼板分散應力后，能夠滿足C35混凝土的局部承壓應力要求，即墩頂局部受壓是安全的。安放千斤頂之前，如果墩頂不平，需將表面鑿平，并用快速水泥砂漿找平，以減小局部的應力集中。

2.2.2設置臨時支座

在墩頂澆筑2個臨時支撐墊石。臨時支撐墊石內(nèi)布置N2×N3三層12 mm螺紋鋼筋網(wǎng)，間距15 cm×15 cm。架立筋N1使用16 mm螺紋鋼筋。臨時支座下支撐墊石與墩頂通過剪力齒槽連接，剪力齒槽長9 cm、寬5 cm、間距10 cm，剪力齒槽深度3 cm。最后在臨時墊石上布置2個與原型號相同的臨時支座。剪力齒槽布置如圖6所示，墊石鋼筋平面如圖7所示。

2.2.3梁體同步頂升

梁體同步頂升在天窗點內(nèi)進行。梁體頂升10 mm，到位后鎖定千斤頂。在頂升系統(tǒng)保持恒定壓力情況下，采集監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)。如果下移量在1 mm之內(nèi)，則不影響支座的拆取與安裝。先拆除支座下板螺栓，再鑿除支座下板周圍支座砂漿，然后將支座下板用鋼絲繩整體捆綁，用絞盤將支座下座板和中間鋼襯板整體取出。

2.2.4支座轉(zhuǎn)換

舊支座取出后，在臨時支座與轉(zhuǎn)換鋼板之間塞入一塊3 mm厚鋼板作為調(diào)高鋼板，保證落梁后臨時支座能充分承擔梁體荷載。

檢查各項指標符合要求后，開啟千斤頂液壓分流系統(tǒng)。將系統(tǒng)調(diào)至落梁模式，開始緩慢泄壓落梁。落梁過程中每1 mm分為一個階段進行，每階段梯梁完成后統(tǒng)一檢查梁體各項指標，直至落梁就位至高于原始標高1～2 mm（預留既有支座受力后支座壓縮量和砂漿層壓縮量），此時由臨時支座承擔豎向力。鎖閉液壓分流系統(tǒng)，鎖閉千斤頂機械鎖，將臨時支座下板螺栓緊固到位。

2.2.5梁體缺陷整治

取出支座后，鑿除缺陷區(qū)域及周邊不密實的混凝土以露出堅固混凝土新面，并對外露鋼筋徹底除銹；然后將空腔內(nèi)混凝土表面清潔干凈；最后通過注入聚合物混凝土以及改性環(huán)氧樹脂膠液的方法，對梁體缺陷進行整治。

在上板空洞鑿除時，對梁內(nèi)預埋螺栓套筒進行檢查。若螺栓套筒出現(xiàn)嚴重變形導致新螺栓無法安裝時，使用攻絲機對螺栓孔進行改造，并使用植筋膠填充螺栓孔隙。

2.2.6安裝新支座

由于梁內(nèi)無預埋鋼板，故需在新支座與梁底之間安裝1塊80 cm×80 cm×2 cm應力擴散鋼板，且應力擴散鋼板與梁內(nèi)鋼筋進行綁扎連接，如圖8所示。支座整體下調(diào)2 cm，并對支座下套筒進行打磨，以保證有足夠的空間安放鋼板和新支座。

新支座與原支座型號一致。將支座下座板和中間鋼襯板分別吊裝至施工平臺上并組裝調(diào)平，用鋼絲繩將支座捆綁固定，將機械絞盤固定在臨時支座上，轉(zhuǎn)動絞盤將支座拖拽至支座安裝位置，支座安裝行進過程中隨時對支座行進方向微調(diào)。新支座安裝后，采用支座專用灌漿料對支座下座板進行灌漿。

2.2.7墩頂恢復

當支座專用灌漿料強度達到80%或檢測強度大于30 MPa時，開始墩頂恢復的施工。按照梁體頂升的工序，落梁于新更換的支座上，然后拆除臨時支座和支撐墊石，并對墩頂進行清理撤場。

3結(jié)構受力驗算

前文所述方案只頂升連續(xù)梁病害支座的一端，而連續(xù)梁中墩不進行頂升，過程中落梁于臨時支座，然后對相關病害進行整治。綜合考慮施工過程結(jié)構受力特點，需對連續(xù)梁結(jié)構、臨時支座承受荷載、T梁結(jié)構、墩結(jié)構以及軌道結(jié)構進行計算。

3.1連續(xù)梁結(jié)構計算（梁體頂升10 mm）

由于梁體存在缺陷，對計算的結(jié)果考慮1.15倍的安全系數(shù)^［1］，使用基于安全系數(shù)的計算結(jié)果進行受力情況判斷。施工周期內(nèi)，梁體及軌道結(jié)構在臨時支座支撐下保持運營狀態(tài)。施工期間布置于外側(cè)的千斤頂在操作中應遵循先頂后卸的原則。應力擴散板尺寸25 cm×90 cm，按照頂升10 mm進行梁體結(jié)構強度計算。軟件計算結(jié)果如下。

（1）梁體的最大拉應力為8.397 MPa，大于C50的軸心抗拉強度2.640 MPa，出現(xiàn)在與頂升應力擴散鋼板接觸的邊緣；最大主壓應力為19.68 MPa，小于C50的抗壓強度32.40 MPa；根據(jù)梁部配筋進行裂縫檢算，裂縫寬度滿足設計要求。由此可知，連續(xù)梁頂升高度不宜超過10 mm，在頂升過程中應根據(jù)現(xiàn)場條件盡可能地擴大接觸面的面積，以提高頂升過程中梁的安全系數(shù)。

（2）截面橫橋向、豎橋向和縱橋向的最大主應力結(jié)果匯總見表3。由表3可知，簡支梁在頂升10 mm情況下，梁體截面應力最大的方向為豎橋向，且主要變形為豎向變形；梁體裂縫寬度強度滿足規(guī)范要求。因此，施工過程中應加強對梁體豎向位移的監(jiān)測。

3.2臨時支座承受荷載計算

利用ABAQUS軟件建立模型，計算結(jié)果顯示：臨時支座下梁體最大主拉應力為13.96 MPa，大于C50混凝土的抗拉強度2.64 MPa；最大主壓應力為21.59 MPa，小于C50混凝土的抗壓強度32.4 MPa；對梁部配筋進行檢算，裂縫寬度滿足設計要求；因此梁體結(jié)構受力滿足規(guī)范設計要求。

3.3T形梁結(jié)構計算

利用ABAQUS軟件建立模型，計算結(jié)果顯示：梁體最大壓應力1.525 MPa出現(xiàn)在梁底千斤頂布置處，滿足C50混凝土的抗壓要求；梁體最大拉應力5.580 MPa出現(xiàn)在梁頂截面，大于C50混凝土軸心抗拉強度2.640 MPa；對梁部配筋進行裂縫檢算，裂縫寬度滿足規(guī)范要求。提取千斤頂布置區(qū)域梁截面橫橋向、豎橋向和縱橋向的最大應力，結(jié)果見表4。

綜上可知，簡支梁在頂升10 mm情況下，根據(jù)梁體配筋情況，梁體裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

3.4墩結(jié)構計算

32 m簡支T形梁自重、二期恒載以及橋面附屬設施合計總重約8 156 kN，則單個支座豎向反力為8 156/4 kN=2 039 kN。40 m跨徑連續(xù)梁邊梁最大豎向反力計算結(jié)果為6 147 kN，單個支座豎向反力為6 147/2 kN=3 073.5 kN?？紤]同時頂升T形梁和連續(xù)梁，應力擴散鋼板的面積設計為70 cm×70 cm。

由連續(xù)梁邊梁傳遞到橋墩鋼板的壓力為6.272 MPa，由T形梁傳遞到橋墩鋼板的壓力為4.161 MPa。將壓力施加在鋼板，傳遞到橋墩后，則橋墩的最大主拉應力為1.129 MPa，小于C30的軸心抗拉強度2.01 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.5軌道結(jié)構計算

軌道結(jié)構計算主要驗證豎向頂升對鋼軌受力的影響。由于有砟軌道道床是碎石結(jié)構，整體性差，不利于直觀的計算，在計算時考慮將道砟固結(jié)成整體進行受力計算。單次單點頂升對鋼軌產(chǎn)生的附加應力見表5。

計算結(jié)果顯示，單次單點頂升過程中，鋼軌最大附加應力出現(xiàn)在圖9中點1、2的位置；隨著單次抬升幅值的增加，鋼軌中的附加應力隨之增大，且當抬升幅值達到90 mm時，最大附加應力為40.30 MPa，等效降溫16.3 ℃。因此頂升10 mm對鋼軌的影響不大，在頂升過程中無需松扣件。

4結(jié)語

本文從支座病害成因、整治方案以及結(jié)構受力驗算三個方面對有砟高鐵橋梁支座更換施工進行了深入研究，總結(jié)了有砟高鐵橋梁支座更換施工技術。該施工技術在消除了支座病害對橋梁結(jié)構不利影響的前提下，能在正常天窗條件進行施工，確保運輸秩序的同時，保證了支座更換的施工質(zhì)量。為將來在鐵路天窗點內(nèi)更換有砟高鐵橋梁支座提供了寶貴的經(jīng)驗。

2023年8月，該橋支座整治設計方案在現(xiàn)場實施，在天窗條件下取出病害支座并設置臨時支座，梁底缺陷整治在慢行條件下實施，支座更換施工僅用了兩個維修天窗，大大降低了對高鐵運輸秩序的影響。

參考文獻

［1］ 國家鐵路局.鐵路橋涵設計規(guī)范：TB 10002—2017［S］.北京：中國鐵道出版社，2017.

作者單位：中國鐵路上海局集團有限公司南京橋工段，南京210000

作者簡介：于強，男，高級工程師。