大准线万泉河大桥桥墩加固设计及分析研究

荆龙江，王志坚，马 林，王乐然

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.武广客运专线有限公司，武汉 430050)

1 工程概况

万泉河大桥，1996年建成，位于大同至准格尔铁路大同至丹洲营区间内，单线桥，桥梁全长1 552.61 m，均为32 m预应力混凝土梁桥，共有47孔。孔跨式样:14孔32 m预应力混凝土T梁(专桥-2059)+1孔32 m超低高度预应力混凝土T梁(叁桥-2005)+32孔32 m预应力混凝土T梁(专桥-2059)。

万泉河大桥设计载荷为中—活载，地震基本烈度为7度，冻结深度为1.86 m。全桥位于半径R=1 000 m，L=100 m的圆曲线、缓和曲线、直线及 4‰、8‰、9‰的坡道上，摇轴钢支座，固定支座设在大同方向。无横向限位装置，有防落梁装置。主梁中心距为1.8 m。桥上线路为无缝线路，60 kg/m钢轨，Ⅱ型轨枕。2007年进行过加固，增设了2块水平板和7块横隔板。

万泉河大桥全桥共有64个桥墩，其中，5#～22#桥墩位于缓和曲线及圆曲线上，其余桥墩均位于直线上。本桥桥墩均为钢筋混凝土结构。43#～46#墩采用“叁桥(91)4038”钢筋混凝土圆端形板式桥墩，墩身高9.5～12 m，横向宽度为3.40 m，纵向厚度为1.60 m;26#墩为工字形墩身，墩身高6.0 m;其余桥墩均采用“叁桥(87)4036”钢筋混凝土矩形板式桥墩，墩身高4.0～9.5 m，横向宽度为3.00 m，纵向厚度为1.20 m。三类桥墩具体形状见图1。另 23#、26#、39#及 40#墩因需要设置接触网片等其他原因纵向尺寸加大到1.50 m。

在所有桥墩中，1#～17#墩采用钻孔灌注桩基础，18#～46#墩采用明挖扩大基础，墩身和桩基础主要采用C18混凝土，扩大基础主要采用C13混凝土。

近年来大准线铁路运量日益加大，已经超过当初的设计运量，晃车现象加剧，严重威胁到线路的运营安全。中国铁道科学研究院铁道建筑研究所于2008年对万泉河大桥进行了动力测试，根据动力检测结果，万泉河大桥上部结构32m预应力混凝土简支梁经过2007年加固后，在不同列车作用下其跨中横向振幅基本上能满足规范［1］的要求，但大部分桥墩的实测结果均不能满足规范［1］通常值的要求，需要对其进行整体加固，提高桥墩的横向刚度，从而提高桥墩的横向自振频率，降低墩顶横向振幅。

2 加固方案

根据万泉河大桥桥墩墩身高度及截面形式等的不同，共提出了两种加固方案:①仅对墩身横向两侧进行加固，包打厚度上部为0.25 m，下部为1.00 m;②对墩身横向和纵向都进行加固，横向包打厚度上部为0.25 m，下部为1.00 m，纵向包打厚度上下部均为0.25 m。两种加固方案桥墩的包打高度均为0.6h(h为墩身高度)，钢筋混凝土矩形板式墩及圆端形板式墩的两种加固方案分别见图2及图3。

墩身加固后，墩底横向尺寸增加较多，为了满足墩底加固后的尺寸要求，部分桥墩的基础需要进行加宽扩大，扩大后的基础边缘距加固后的墩底边缘0.20 m，所有桥墩加固用混凝土等级均为C30。

图1 万泉河大桥三大类型桥墩

图2 钢筋混凝土矩形板式墩两种加固方案

图3 钢筋混凝土圆端形板式墩两种加固方案

根据64个桥墩的类型特点，选择1#墩(墩身高4.0 m，矩形截面)、5#墩(墩身高 7.0 m，矩形截面)、25#墩(墩身高 6.0 m，矩形截面)、41#墩(墩身高 8.5 m，矩形截面)、45#墩(墩身高 11.5 m，圆端形截面)5个典型桥墩作为检算对象，分别对两种加固方案的加固效果进行分析对比。此外，通过对特殊的26#墩(墩身高6.0 m，工字形截面)进行检算分析，探讨其是否需要进行加固。

采用大型通用有限元程序ANSYS对所选择的桥墩进行计算，各桥墩模型均为空间实体有限元模型，在墩底承台下施加固结约束，未考虑桩基及地基对桥墩刚度的影响作用。各检算桥墩的基本信息见表1。

表1 大准线万泉河大桥典型桥墩基本信息

3 桥墩加固后的横向刚度

根据选取的6个典型桥墩，在每个桥墩墩顶分别施加100 kN的横向作用力，检算各桥墩加固前后的墩顶横向位移。表2是在100 kN力作用下6个典型桥墩加固前后的墩顶横向位移。从表2可以看出，在相同的横向力作用下，加固后的桥墩墩顶横向位移明显减小，表明桥墩刚度有明显提高，加固效果显著。

表2 大准线万泉河大桥典型桥墩加固前后的墩顶横向位移

4 桥墩加固后的横向自振频率

根据规范［1］，动力检算以桥墩的横向自振频率为主，桥梁上部结构32 m简支梁等的质量以附加质量的形式在墩顶支座处予以考虑。表3是6个典型桥墩加固前后的横向一阶自振频率。从表3可以看出，加固后桥墩横向一阶自振频率明显增大，表明桥墩横向刚度在加固后有了明显改善。

表3 大准线万泉河大桥典型桥墩加固前后横向一阶自振频率

5 结语

根据万泉河大桥桥墩所处的线路、基础、墩身高度及截面形式等的不同，选取6个典型桥墩作为检算对象，采用空间实体有限元模型分析对比两种加固方案的加固效果。每个桥墩模型均在墩底承台下施加固结约束，未考虑桩基及地基对桥墩刚度的影响作用。经两种方案加固后，在横向力作用下的墩顶位移明显减小，桥墩横向一阶自振频率明显增大，表明加固后的桥墩刚度有了很大提高。

根据6个典型桥墩加固前后的分析对比，推荐的桥墩加固方案为:对于钢筋混凝土矩形板式墩，由于墩身较低，因此仅在桥墩横向两侧进行加固;而对于钢筋混凝土圆端形板式墩，由于墩身较高，建议对桥墩横向和纵向都进行加固。具体加固措施为:1#～25#及27#～42#墩仅对横向进行加固，扩大为矩形截面台体，包打厚度上部为0.25 m，下部为1.00 m;43#～46#墩对横向和纵向同时加固，扩大为圆端形截面台体，横向包打厚度上部为0.25 m，下部为1.00 m，纵向包打厚度上下部均为0.25 m，所有桥墩包打高度均为0.6h(h为墩身高度)。26#工字形墩不需加固。

［1］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］120号 铁路桥梁检定规范［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］胡巧玲.跨线桥墩柱病害原因分析与加固方案［J］.铁道建筑，2009(3):100-103.