采用钢板桩加固既有铁路桥墩横向振幅超限

                                                               施洪存
                       （哈尔滨铁路局齐齐哈尔工务段，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

【摘　要】　随着我国既有线路的大规模提速,桥梁墩台横向振幅超限问题日益突出,严重影响了行车安全, 本文对绥佳下行线格界河桥梁横向振动振幅超限问题进行了钢板桩基础加固理论分析及施工工艺简介。

1 绥佳下行线格界河桥桥墩基础加固概况

该桥位于绥佳线汤原～望江之间，2000年建成通车。桥全长133.9米。上部结构为6孔20.0m预应力砼梁；下部结构为椭圆型砼桥墩，T型砼桥台。砼扩大基础，各墩基地地质均为砾砂。由于基底地质软弱，2003年将所有桥墩基础用钢筋混凝土桩加固，两桥台没加固。桥检队于2004年7月对该桥全部桥墩及第一、二孔梁进行了横向振动试验，振幅超限，进行了限速。2007年对桥墩部分的地基进行了加固，加固后桥检队于2007年9月，利用编组试验列车作激振源，再次对全桥进行了振动试验。实测桥墩、梁的横向振幅满足《检规》第10.0.7条要求，桥墩部分地基加固效果良好。

2.加固理论分析

铁路桥梁横向振幅超限安全理论依据《铁路桥梁梁墩体系墩顶横向振幅的参数影响分析》经行基本分析。

2.1综合指标Si

依据《铁路桥梁梁墩体系墩顶横向振幅的参数影响分析》一文对收集到的1 000多座桥墩进行的多个不同结构形式(包括墩身截面不同、上部结构不同、基础形式不同等)桥墩进行分类以后,分析了上百种不同的因素和墩顶最大振幅的关系,经过比较和筛选,最终挑出一种与最大振幅比较有规律的综合因素- 综合指标Si ,即

式中, m—一孔梁的活载质量(按《铁路桥涵设计规范》中的第3. 3. 1 条取值80 kN/ m) ,kg ;

mp——桥墩的质量,kg ;

mb 一孔梁重(含道碴) ;

f —桥墩横向自振频率,Hz。

2.2既有线工务系统墩台超限解释

依据综合指标Si  m活载质量及 mb一孔梁重(含道碴)均为铁道线路系统，线上部分，除个别情况，不宜更改，可看成定数。mp桥墩的质量可进行维修更改，mp桥墩质量的增大，mp/3 + mb为分母，在m是定数的情况下，系数相应变小，综合指标Si也就相应变小，依据 “综合指标Si 越大，墩顶最大振幅越小”的结论。墩顶最大振幅反而变大。所以，在考虑方案时尽量避免增大桥墩附属质量。f 桥墩横向自振频率 可以依据“铁路桥墩横向振幅和最低频率的参考限值表”进行推导。其中桥墩横向自振频率f是墩身高度H1 和均宽B 的函数. 同样桥墩均宽B墩身高度 H1越小，自振频率f越大，综合指标Si 越大，墩顶最大振幅越小。同样墩身高度H1桥墩均宽B越大，综合指标Si 越大，墩顶最大振幅越小。

钢板桩围堰加固方案避免了墩身质量重心上移问题，同时解决水土饱和度扩散问题。

3　钢板桩围堰受力计算

3. 1 　结构受力计算

3. 1. 1 　钢板桩

钢板桩是支承于沉井顶和钢环上的连续梁,计算出荷载后,用力矩分配法即可解出在各种荷载作用下钢板桩承受的弯矩和各钢环的支承反力(亦即是钢板桩对钢环扣作用力) 。在静水压力作用下各钢板桩受力相等;在风力和水流冲击力作用下,迎风面和迎水面的钢板桩受力相等,背风面和背水流的钢板桩不受力;在波浪力作用下,波浪最高点处的钢板桩受力最大,并向两侧减小至0 ;在漂流物和船撞力作用下,撞击点处钢板桩受力最大,漂流物及船撞力按3 片钢板桩平均分配计算。

3. 1. 2 　钢环

钢环支承于联结系中,并将钢板桩的水平推力传递给联结系。在静水压力作用下,钢环轴心受压;在水流冲击力、波浪力、风力、漂流物撞击力和靠船力作用下,钢环轴向力不均匀,且同时受弯,一般只取4 个具有代表性的点,对钢环进行受力计算。

3. 1. 3 　槽口外侧钢带和钢板桩与钢环联结计算

钢板桩围堰安装好后,沉井还要吸泥下沉,为防止在吸泥下沉的过程中产生翻砂,围堰内侧水位要高于外侧水位,其水头差要根据下沉深度、地质情况等确定。有时要依靠排水下沉,在无法肯定围堰不会翻砂的情况下,为确保钢板桩围堰不至于炸裂,顶槽口钢带和钢板桩与钢环联结拉筋强度按大量翻砂考虑,即内、外水头差按钢板桩的高度定。钢板桩的受力仍按连续梁计算,钢环、钢带轴向受拉。此时仅考虑内侧的静水压力,荷载呈三角形分布。

3. 2 　荷载组合

钢板桩围堰在吸泥下沉过程中,围堰内侧水位高于外侧水位,而围堰内可能会翻砂,此为一种荷载组合,其组合为围堰自重+ 内侧静水压力。围堰封完底以后,围堰内要抽水,其内侧水位在盖板以下,围堰受各外力作用。其荷载组合如下。

施工最高水位时的荷载组合。①顺流向:静水压力+ 水流冲击力+ 波浪力+ 风力+ 漂流物撞击力+ 结构自重; ② 横流向:风力+ 靠船力+ 结构自重。其中10项钢板桩内力计算（可参阅算单）

 (1)    作用于板桩上的土压力强度及压力分布图   (2)确定内支撑层数及间距

（3）各内支撑反力及4）钢板桩入土深度       (5) 基坑底部的隆起验算

（6）基坑底管涌验算  （7）坑底渗水量计算  （8）整体抗浮稳定性检算 （9）封底砼强度验算 （10）围囹受力计算

3. 3 　强度和稳定计算

(1) 钢板桩强度计算。计算出单位宽度钢板桩的弯矩ΣM 后即可按σ=ΣM/ W 计算其应力,小于容许值即可,若不小于容许值,则应选择壁较厚的钢板桩,一般是通过调整钢环间的距离来减小钢板桩的应力。

(2) 钢环的强度和稳定计算。钢环的强度和稳定计算分平面和立面两个方向,在平面内,钢环的最大应力为σmax =ΣM/ W +ΣN/ A ,满足钢环总体稳定时的容许压应力[σ] = 3 EI/ R2·A ;总体稳定满足后要对箱板进行局部稳定计算。立面内竖向计算可忽略自重弯矩,钢环轴心受压、稳定计算时,钢环的自由长度为立柱间距。如果不满足要求,修改截面。

(3) 联结系强度计算。联结系的杆力计算完后,即可按σmax = Nmax/ A <φ[σ] , φ 为长细比决定的折减系数。

(4) 槽口钢带和钢板桩与钢环联系强度计算。

4 钢板桩围堰的施工

钢板桩围堰由钢板桩、钢环、钢环联结系、顶托盘以及靠船设备等组成,其安装步骤如下: ①钢带、联结系立柱底脚预埋于沉井顶混凝土内,预埋件平面位置应准确,且各点应在同一高程。②安装钢环联结系。③由下而上拼装钢环,每层钢环分4段,工地用螺栓联结,联结好后,调整其位置,使其中心与沉井中心重合,然后将钢环固定在联结系上。④分组安装钢板桩,每组钢板桩由3 根钢板桩组成,其锁口间的缝隙用沥青麻丝塞紧。钢板桩安装完后,用拉筋将其与钢环连接。最后用沥青麻丝塞紧每组钢板桩之间的缝隙。⑤ 安装靠船设备。⑥槽口水泥砂浆灌注。

5　结束语

以往研究多注重梁的横向刚度,而忽视了桥墩刚度的影响,没有将桥墩横向刚度和列车运营安全性指标相联系。通过对桥墩实测墩顶横向振幅的统计分析,找出了与桥墩横向刚度相关度最好的综合影响因素- 综合指标。拟以综合指标为基础建立一种桥墩横向刚度综合评价体系,来确定桥墩横向刚度参考限值。

绥佳下行线格界河桥梁横向振动振幅超限钢板桩围堰加固依据桥墩横向刚度相关度最好的综合指标解决了振动重心上移问题，同时也解决了基础水土饱和度扩散问题，是值得借鉴的基础加固很好例证。

参考文献

[1 ]夏禾,陈英俊. 车- 梁- 墩体系动力相互作用分析 土木工程学报,1992 ,25

[2 ]小西一郎. 钢桥(第二册) [M] . 北京:中国铁道出版社,1981.

[3 ] 翟婉明. 朔黄铁路桥梁横向振动综合测试及理论分析[ R] .成都:西南交通大学列车与线路研究所,2004

[4 ] 铁运函[2004 ]120 号,铁路桥梁检定规范.

[5]中华人民共和国国家标准GB5595 —1985. 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范. 北京:中国标准出版社,1986

[6 ] 绥佳下行线格界河桥（K347＋639）桥振动试验报告