墩高20～30ｍ铁路桥梁的病害诊断及对策

墩高 20～ 30ｍ铁路桥梁的病害诊断及对策

王广财

江苏华盛工程咨询股份有限公司 江苏省淮安市 223005

摘 要：从设计、现状情况等方面进行对比，初步了解梁体、桥墩的横向刚度变化情况；结合桥墩实测横向自振频率与不同埋深情况下的《检规》通常值比较分析，指出了中、高墩周围土体约束情况对桥墩横向刚度的影响及桥墩可能存在的病害；根据试验资料综合分析，进一步明确了墩、梁技术状态及整治对策。期望为中、高墩桥梁的病害诊断及整治提供参考。

关键词：中、高墩桥梁 病害 诊断 加固

随着我国铁路提速、重载的飞速发展，既有铁路桥常常因为横向晃动较大等现象影响铁路正常运营秩序；尤其是中、高墩桥梁横向晃动更为突出，普遍存在列车过桥时墩、梁发生横向耦合振动，桥跨结构横向振幅偏大，致使这些桥梁需采取长期限速措施来确保行车安全，从而降低了列车运行技术条件，严重影响了铁路运输能力^[1-3]。为消除因中、高墩桥横向晃动带来的安全隐患，本文结合北马鹿大桥病害情况，分析了桥梁横向晃动原因，提出了病害整治对策。

1 试验桥概况

辛泰线北马鹿大桥修建于1971年，为5孔20m普通钢筋混凝土T梁，桥上线路为单线、无缝线路，处于5.5‰上坡道，除0#辛方桥台位于直线上，其余均在R=800m、L₀=150m的缓和曲线上，曲线外轨超高45mm。该桥为摇轴支座，固定支座均位于辛端。桥墩为变截面长方形，T形桥台。桥墩台均为扩大基础。1^#桥墩下游侧地面是耕地、上游侧地面为斜向上的山体坡脚，桥墩上下游侧高差达4m，墩身已出现横、竖向裂纹；其余墩身表面情况良好。全桥概貌如图1。据基层反映，列车通过时桥梁晃动剧烈。为此，组织有关部门对该桥进行了现状检查及动载评估试验。

图1：北马鹿大桥全桥概貌

2 试验准备

1）试验前组织人员对桥上及进出桥线路进行了整修，确保桥上线路轨道几何尺寸达到静态验收标准。为诊断桥梁状态，对1^#墩～4^﹟墩，第2孔～第4孔梁进行动载试验，共布17个测点；其中：第1^#、2^#、3^#、4^#墩、第2、3、4孔跨中、梁两端横向振动测点各1个，第2、3孔梁体横、竖向加速度测点各1个。

2）以区间运营列车为试验荷载，共测样本40次，最高速度为客车65.6km/h，具体列车荷载见表1：

表１：采样样本类型与数量统计

3现状与设计情况对比分析

3.1上部结构

该桥为5孔20m普通钢筋混凝土T梁，从外观看梁体状态良好；且2002年进行横隔板加固，2006年梁端增加了横向限位装置，梁体横向刚度比该桥建设初期有所提高。

3.2下部结构

桥墩各项技术参数如表2 所示。

表２：桥墩技术参数表

1. 基础埋深设计

由表２可见，该桥从4^#墩至1^#墩的地基基岩埋深逐渐加大，为使基础落在岩层上，设计2^#、4^#墩高相差9m；由于1^#墩处岩层埋置太深，为节省建材，设计将1^#墩基础放在卵石夹砂层上，致使1^#墩基础地基承载能力相对偏弱。

2. 横向刚度设计

各墩设计时的高宽比（详见表2）从4.949增大至8.113、悬殊较大，有些不合理；分析认为设计时考虑了墩周围土体的约束作用。从原设计时地面以上桥墩的高宽比可见：4个桥墩的高宽比都在5.0左右，其中，2^#的高宽比相对较大（达5.734），原因是由于2^#墩设计时埋深达10m，考虑到土体对桥墩、基础的限位约束较大,因此2^#墩的高宽比有所加大。考虑墩周围土体的约束作用，各墩在设计时的横向刚度基本一致。

3）现状与设计时对比分析

由于未按设计要求施工等，致使1^#墩靠山体一侧埋深加大4.5m、另一侧加大0.5m。由于修建铁路的废弃渣土堆积，致使桥下地形发生较大变化，其中，3^#墩埋深增加3.3m、4^#墩埋深增加11.1m。由于1^#、3^#、4^#墩处的地面抬高，压缩了汛期河道行洪断面，汛期洪水集中冲刷位于主河道内的2^#墩处河床，致使2^#墩的基础埋深减小了2.2m，其高宽比也增大到6.247。由于上述因素影响，单从地面以上墩身高宽比来看：1^#、3^#、4^#墩横向刚度比设计时变大，其中4^#墩刚度增大较多，2^#墩横向刚度有所减弱。

4 试验分析

4.1桥墩状态分析

4.1.1自振频率分析

表3为桥墩按《铁路桥梁检定规范》^[4]（简称《检规》）计算的通常值与实测自振频率。由表3可见，实测2^#、4^#墩横向自振频率接近、略小于从地面以上计算墩高的自振频率通常值，这说明2^#、4^#墩周围的土体对桥墩横向振动起着较大的弹性约束作用，但不是完全嵌固；3^#墩的实测自振频率接近、略大于按基顶以上墩身全高计算的通常值，远小于从地面以上计算墩高的自振频率通常值 ，说明3^#墩周围土体对该墩起到一定约束，但约束作用较小；1^#墩实测自振频率小于按从基底计算墩高的自振频率通常值，说明该墩周围土体及地基对墩身变形没有约束，基础与地基连接处可能有部分悬空。

表3桥墩横向自振频率情况

4.1.2实测横向振幅

实测墩顶横向振幅除4^#墩外，1^#-3^#墩均有超出《检规》通常值情况（详见表4），尤其是1^#墩当货车速度达38.9km/h开始存在超限问题，最大值2.87mm超出通常值107.97%。从各测次的实测横向振幅最大值可见，各墩的横向振幅随着列车速度的提高而增大（详见图2），说明列车激振力大小是各墩振动强弱的根本原因。

表4：墩顶横向振幅超出通常值情况统计

图2 各墩顶横向振幅与列车速度关系

4.1.3桥墩波形分析

1^#、3^#墩的时域波形存在二次低频波及偏振现象，且1#墩偏振现象严重；2^#、4^#墩时域波形圆顺、对称。说明1^#墩明显存在病害，3^#墩可能有病害，2^#、4^#墩状态良好；这与自振频率分析结果基本一致。

4.2桥墩病害原因分析

4.2.1 1^#墩偏振分析

1）如前文所述，1^#墩上下游侧地面高差达4m，造成该墩上下游侧土压力相差较大，从而造成1^#墩存在明显向下游的偏振现象（如图3所示）。

图3 1#墩顶横向振幅时域波形

2）该墩的下游侧也是曲线内侧，在列车运行速度较小时，列车未被离心力平衡的向心力与该处的较大土压力造成叠加之势，从而加剧了该墩偏向下游的偏振现象；这也是该墩横向振幅在列车运行速度较小（38.9km/h）时超出《检规》通常值的原因。

3）在长期偏心力作用下，1^#墩的偏振现象逐步加剧，致使卵石夹砂地基存在不均匀下沉、墩基连接处可能出现裂损，墩身也渐渐出现裂纹；使桥墩刚度变弱，进一步加剧了桥墩的横向晃动及偏振现象。

4.2.2 2^#墩刚度偏弱分析

2^#墩全高31.4m，为4个墩中最高墩，其现状地面以上墩高23.3m，高宽比达6.7，也是4个墩中最大的，实测横向振幅亦普遍大于其它墩，因此判断该墩横向刚度较弱。

4.2.3 3^#墩偏振分析

该墩位于曲线上，设计时即为偏向上游（曲线外侧）的偏心受力状态；在列车速度较大时，未被向心力平衡的离心力与偏心力叠加，进一步加剧该墩的偏心受力，致使该墩在列车速度较高时存在明显偏向上游的偏振现象。另外，该墩一侧是公路、一侧为耕地；耕地土体自然松散，公路经长久碾压而土体密实，因此两侧土体对3^#墩的变位约束作用相差较大，也将加剧该墩发生偏振；桥墩长期处于偏振状态可造成耕地侧土体失去对桥墩的约束作用；这也说明了该墩实测自振频率与按基顶以上墩身全高计算的自振频率《检规》通常值接近的原因。

4.3梁跨结构分析

4.3.1横向自振频率

由各孔跨中横向振动测点余振波形的频域分析可见，桥梁一阶自振频率在1.91-1.96之间，与相应桥墩横向自振频率接近，远小于跨度20m钢筋混凝土梁最低横向自振频率≥5.8hz^[5]。再者，该桥梁体横隔板已经加固，梁端增设了横向限位装置，且梁体外观状态良好，因此梁体横向自振频率应>5.8Hz。实测梁跨横向自振频率较小的原因是：第2、3孔梁体自身的横向刚度远大于相应桥墩横向刚度，在列车通过时，墩、梁发生了耦合振动，梁体的振动主要以墩顶的振动形式为主，梁体表现为随着墩顶振动而摆动，根据余振波形测得的桥梁横向自振频率是墩梁耦合自振频率；第4孔梁的一端桥墩横向刚度较大、另一端桥墩横向刚度较小时，梁体跨中横向振动主要以刚度较小桥墩的振动形式为主，其余振波形也主要以刚度较小桥墩的自振形式为主。

4.3.2横向振幅

《检规》未对普通钢筋混凝土梁的跨中横向振幅通常值做出规定，与同跨度预应力混凝土梁通常值对比见表5。实测客、货车作用下第2孔-第4孔梁实测横向振幅均有超过《检规》通常值问题。分析认为： 1^#、2^#墩墩顶横向振幅较大，导致第2孔梁横向振幅比其他两孔大；3^#墩与4^#墩横向振幅较小，相应第4孔梁横向振幅亦较小。另外，1^#、2^#墩顶横向最大振幅均大于该桥梁跨横向振幅行车安全限值2.22mm，3^#墩墩顶最大横向振幅也达2.20mm，从而导致第2、3孔梁跨最大横向振幅超高行车安全限值。因此判断，1^#、2^#、3^#墩横向刚度明显不足。再者，由2^#墩横向振幅《检规》通常值2.52mm可知，既使2^#墩横向振幅小于《检规》通常值，也可能导致梁跨横向振幅大于行车安全限值2.22mm，这说明2^#墩本身横向刚度在建设时就不能满足该桥安全运营需要。

表5：实测跨中横向振幅与《检规》通常值对比统计

4.3.3加速度测试

实测第2孔和第3孔跨中横向振动加速度分别为1.07m/s²、0.66m/s²，均小于《检规》规定限值1.40m/s²；实测第2孔和第3孔跨中竖向振动加速度分别为0.95m/s²、1.25m/s²，满足《200公里暂规》^[5]加速度规定限值3.43m/s²。

4.4 状态诊断

结合该桥设计、施工、外观、试验等情况，分析认为：该桥梁体、支座及4^#墩状态良好，1^#、2^#、3^#墩横向刚度不足，1^#墩基础存在病害，3^#墩偏振现象继续发展也会造成墩基裂损。

5 安全评估及对策

5.1安全评估

5.1.1货车通过情况（表6）

由表6可见，当货车速度达41.7km/h时，第2孔梁跨中横向振幅即超过行车安全限值，当货车速度达55.8km/h时，实测最大横向振幅达4.05mm，即超出《检规》行车安全限值82.43%；当货车速度达34.6km/h时，第3孔梁跨中横向振幅开始超过行车安全限值，最大横向振幅达2.90mm，即超出行车安全限值30.63%；第4孔实测最大横向振幅2.19mm，满足货车安全需要。

5.1.2客车通过情况

实测客车通过，第2孔～第4孔梁跨中最大横向振幅分别为：1.14mm、1.30mm、0.73mm，均未超安全限值，满足客车安全需要。

表6：梁体跨中横向振动情况

5.2 安全对策

1）在病害处理前，该桥限速30km/h运行。

2）挖除1^#墩上游测山体，清除墩周围土体，检查墩基连接处是否有裂损、检查基底是否密实。根据检查情况进行压浆处理，然后将墩身周围地面正平、压实。

3）挖除3^#墩耕地侧土体，检查墩基连接处是否有裂损，若有裂损进行压浆处理，然后回填土体至与路面等高、压实、正平，并用浆砌片石罩面。为避免汽车撞击该墩设置防撞墙。

4）对1^#-4^#墩的墩身砌石进行勾缝处理，对于裂损的砌石进行局部修补、更换。

5）横向加固：①墩身加固：在墩身两侧增设钢筋混凝土斜撑，增大墩身的横向刚度；斜撑与既有墩身采用植筋技术加强连接，斜撑的高度应尽可能减小，具体高度需经理论计算确定。②基础加固：对于基岩埋置较深的1^#墩采用摩擦桩加固；对于基础落在岩层上、且埋置较深的2^#、3^#墩采用柱桩加固，以减少加固工程量。

6 结束语

通过实测桥墩横向自振频率与按基底、基顶、地面以上三种不同墩身高度计算的《检规》通常值对比分析，并结合该桥设计、施工、现状检查、动载试验等多方面技术资料综合分析，从而判定墩、梁技术状态，可为类似中高墩桥梁病害诊断提供参考。

为准确诊断桥梁病害，试验前的桥上及进出桥线路的轨道静态指标需保持良好，同时为确保既有桥梁运营状态良好，曲线桥上的列车运行速度应尽量与外轨超高相匹配。

既有桥梁的中、高墩埋置深度一般不得小于设计时的埋深；墩身周围的土体状况应基本一致，避免墩身一侧土体硬实、一侧松散、一侧高、一侧低等不良现象；尤其是桥下修建道路、堆放重物等问题应尽可能消除，如无法避免时，需研究合理的修建方案，不得削弱中、高墩刚度。

参 考 文 献

[1]胡东坡.京九线桥梁横向振幅超限的原因分析及加固措施[J].铁道建筑，2009（5）：31-33.

[2]陈银柱.京沪线（下行）滁河特大桥加固及效果测试分析[J].铁道建筑，2009（11）：18-20.

[3]刘楠.孙戈.许建平 .图号为专桥2059的简支梁桥受迫振动试验分析[J].铁道建筑，2010（2）：9-10.

[4] 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.

[5]中华人民共和国铁道部.既有线提速200-250km/h线桥设备维修规则条文说明（S）.北京:中国铁道出版社,2008.

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