重載鐵路橋臺設(shè)計

嚴(yán)章榮

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計研究院, 北京 100055)

1 國內(nèi)外重載鐵路發(fā)展概況

自1984年重載鐵路運(yùn)輸協(xié)會成立以來,重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)在越來越多的國家得到發(fā)展,美國,加拿大、德國、俄羅斯等國家都在積極地推進(jìn)重載鐵路運(yùn)輸,其中提高軸重作為重載列車運(yùn)行成本的最有效措施得到各國的普遍采納,美國、加拿大、澳大利亞等國家的最大列車軸重已經(jīng)達(dá)到35 t以上。2005年國際重載運(yùn)輸協(xié)會(IHHA)的巴西年會上,已經(jīng)對重載運(yùn)輸做了新的修訂,重載列車牽引質(zhì)量至少達(dá)到8 000 t(以前為5 000 t)：軸重(或計劃軸重)為27 t及以上(以前為25 t),在至少150 km線路區(qū)段上年運(yùn)量超過4 000萬t(以前為2 000萬t)[1]。近年來,我國加快了重載鐵路的發(fā)展,在各項鐵路技術(shù)方面做了大量研究,包括引進(jìn)國外的大功率機(jī)車、同步操縱等技術(shù),我國采用的軸重為25 t的重載列車,目前正在大秦線及鐵路集疏運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)用,根據(jù)新的重載鐵路的定義,我國在年運(yùn)量和牽引質(zhì)量方面符合國際重載運(yùn)輸協(xié)會的對重載鐵路運(yùn)輸新定義,在軸重方面已經(jīng)開始研究25 t及以上軸重重載鐵路,我國重載鐵路與國外重載鐵路特點(diǎn)對比,見表1。

表1 國內(nèi)外重載鐵路特點(diǎn)對比

山西中南部鐵路通道為我國首條采用30 t軸重活載設(shè)計的重載鐵路,為我國的重載鐵路的發(fā)展邁出了重要步伐,同時也對重載鐵路橋梁結(jié)構(gòu)提出了眾多技術(shù)難題,研究設(shè)計重載鐵路橋梁配套的橋臺結(jié)構(gòu)尤為必要。

2 重載鐵路橋臺設(shè)計研究

2.1 設(shè)計概述

橋臺是位于橋梁兩端并與路基相連接的支承上部結(jié)構(gòu)和承受橋頭填土側(cè)壓力的構(gòu)造物。其功能主要傳遞橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載到基礎(chǔ)、抵擋臺后土壓力、穩(wěn)定橋頭路基、使橋頭線路和橋上線路可靠平穩(wěn)地連接。目前我國高速鐵路和普速鐵路橋梁普遍采用一字形橋臺和T形橋臺、矩形橋臺[2-4]。

重載鐵路具有軸重大、列車較長、牽引力及制動力大、貨運(yùn)量大、列車橫向搖擺力大等特點(diǎn),山西中南部鐵路采用的“ZH活載”[5]比普通鐵路 “中-活載”、客運(yùn)專線采用的“ZK活載”大得多。相對普通“中-活載”而言,列車軸重的增大,引起臺后土壓力增加,橋臺頂列車活載提高10%左右,臺頂?shù)理牟郯鍛?yīng)力增加,臺身應(yīng)力及偏心也相應(yīng)增大,由于列車橫向搖擺力及脫軌荷載的增加,臺身位移增大,對橋臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均產(chǎn)生影響。

2.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計速度：120 km/h。

(2)按雙線直曲線、平坡設(shè)計,最小曲線半徑800 m；雙線,線間距4.0～5.0 m。

(3)橋臺按填土高5～12 m,入土深0～2 m。

(4)地震設(shè)計按地震動峰值加速度分2種：Ag≤0.15g(7度及以下地震區(qū))；0.15g

(5)設(shè)計對應(yīng)梁部跨度：32、24、20、16 m等簡支T梁。

2.3 設(shè)計荷載

(1)活載模式：山西中南部鐵路通道采用“ZH活載”,Z=1.2,見圖1。

動力系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.3.5條計算,即:1+μ=1+12/(30+L)，其中,L為計算跨度,雙線豎向活載為兩線活載總和的90%[6]。

圖1 “ZH活載”圖示(單位：m)

(2)恒載：梁重(包括防水層和保護(hù)層)、二期恒載重等。

(3)離心力仍采用《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中的4.3.6條計算,但離心力的作用位置取軌頂以上2.2 m[7]。

(4)橫向搖擺力取120 kN[7],作為一個集中活載作用于橋梁結(jié)構(gòu)最不利位置,其作用點(diǎn)在垂直線路中心線的鋼軌頂面,對于雙線橋只取一線上的橫向搖擺力[6]。

(5)牽引力和制動力應(yīng)按列車豎向靜活載的10%計算,當(dāng)與離心力或列車豎向動力作用同時計算時,制動力或牽引力應(yīng)按豎向靜活載的7%計算,雙線橋應(yīng)采用一線的制動力或牽引力。

(6)列車脫軌荷載不計動力系數(shù),設(shè)計按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)兩種情況加載,并在其基礎(chǔ)上提高一定安全儲備,提高系數(shù)為1.2倍[7]。

(7)土壓力、風(fēng)力按照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》進(jìn)行計算,軌道力按照《新建鐵路無縫線路設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2003]201號)選用和計算。

(8)地震力:①橋臺的地震作用按設(shè)計地震采用靜力法計算,且應(yīng)分別計算順橋向、橫橋向的水平地震作用。②雙線橋只考慮單線活荷載。③梁體質(zhì)量作用于橋臺的水平地震力在順橋向、橫橋向分別按1孔梁重的100%、50%計,水平地震力順橋向作用在支座中心,橫橋向作用于梁高的1/2處[8]。④設(shè)計不計臺前地震土壓力,破壞棱體上列車活載產(chǎn)生的地震土壓力同非地震區(qū)。

2.4 橋臺臺身檢算

根據(jù)設(shè)計采用的“ZH活載”,對臺身結(jié)構(gòu)應(yīng)力、偏心以及穩(wěn)定性進(jìn)行檢算,檢算荷載模式見圖1,設(shè)計按單線行車、雙線行車分別加載,2種加載均包含表2中各活載圖式。

(1)橋臺截面偏心

在各種荷載組合作用下,橋臺截面上的合力偏心矩e應(yīng)滿足：①主力e≤0.5S；②主力+附加力e≤0.6S；③主力+施工荷載e≤0.7S；④主力+特殊荷載e≤0.8S。其中S為沿截面與合力作用線,重心至該連線與截面外包輪廓線的交點(diǎn)距[9]。

表2 各活載圖式

(2)臺身強(qiáng)度檢算

式中σ——墩臺任一檢算截面上的壓應(yīng)力,MPa；

N——作用于臺頂處的軸向壓力,103kPa；

G——檢算截面以上順橋向的自重,103kPa；

ηx、ηy——檢算截面處上的彎矩增大系數(shù)；

Mx、My——檢算截面上對重心軸x和y的彎矩,MN·m；

x、y——檢算截面上最大應(yīng)力點(diǎn)和最小應(yīng)力點(diǎn)的坐標(biāo),m；

A——檢算截面面積，m2；

[σ]——橋臺的容許壓應(yīng)力,MPa[10]。

2.5 橋臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

矩形空心橋臺的基本結(jié)構(gòu)為2個單線T形橋臺組合,將臺身作為空心橋臺肋板,肋板中心距取兩線的線間距,有利于列車活載的有效傳遞。橋臺道砟槽板及墊石布置根據(jù)線路線間距進(jìn)行調(diào)整,橋臺橫向?qū)挾确譃?級,見表3。

表3 橋臺橫向尺寸

這樣保證了橋臺的整體性能,也節(jié)省了圬工量。在臺內(nèi)空心部分底部填黏土至高于地面10 cm處,斜向?qū)ΨQ設(shè)置2根φ15 cm泄水管,確保臺內(nèi)不積水。7度以上地震區(qū)根據(jù)地震動峰值設(shè)置防落梁擋塊。橋臺臺高小于6 m時,于橋臺胸墻前設(shè)置爬梯預(yù)留橋臺檢修通道,臺高大于6 m時，臺頂設(shè)置檢查梯預(yù)留檢修通道。

橋臺高度H≤600 cm時,橋臺長度L=H·n1+75-b(cm)；H>600 cm時,L=(H-600)n1+(H-600)n2+75-b(cm)。H為橋臺高度(一般臺高不大于1 200 cm),6度及7度地震區(qū)時n1=1,n2=1.25,8度地震區(qū)時n1=1.25,n2=1.5,橋臺結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 橋臺結(jié)構(gòu)(單位：cm)

矩形空心橋臺臺頂?shù)理牟郯寮皹蚺_頂帽采用C35混凝土,墊石選用C50混凝土,臺身選用C30混凝土,橋臺空心結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置檢查內(nèi)部檢查梯、防護(hù)門，以備運(yùn)營階段對臺身結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。橋臺錐體內(nèi)填筑滲水土,錐體填土基本穩(wěn)定后進(jìn)行錐體坡面鋪砌,護(hù)坡及石裙采用漿砌片石結(jié)構(gòu),并在錐體護(hù)坡范圍布設(shè)φ=0.1 m的泄水孔,其間距不大于1.5 m,橋臺結(jié)構(gòu)見圖3、圖4。

圖3 雙線矩形空心橋臺正面

圖4 雙線矩形空心橋臺側(cè)面

與普通鐵路橋臺對比,山西中南部鐵路矩形空心橋臺設(shè)計主要有以下幾點(diǎn)區(qū)別：①設(shè)計橋臺結(jié)構(gòu)為重型軌道結(jié)構(gòu)預(yù)留了條件,滿足了30 t軸重列車運(yùn)營要求；②重載橋臺比普通空心橋臺內(nèi)力及應(yīng)力有所增加,增加的工程量在3%左右。

矩形空心橋臺,臺身長度隨其填土高度增加而增加,提高了橋臺的整體剛度,保證了在各種填高情況下橋臺的剛度滿足列車的運(yùn)營要求。采用的空心結(jié)構(gòu)節(jié)省了臺身圬工量,同時也方便施工,其結(jié)構(gòu)整體性好、適應(yīng)性較強(qiáng),能夠滿足30t軸重列車運(yùn)營的要求,是重載鐵路橋臺的較好選擇。

3 結(jié)語

目前大軸重列車成為國內(nèi)外重載鐵路的發(fā)展趨勢,山西中南部鐵路通道是我國首條采用30 t軸重設(shè)計的重載鐵路,根據(jù)其采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、荷載模式等,對橋臺結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計研究,設(shè)計的矩形空心橋臺用于山西中南部鐵路通道,能夠滿足30t軸重荷載的要求,其結(jié)構(gòu)合理,經(jīng)濟(jì)適用,是重載鐵路的較好選擇。

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[5] 中華人民共和國鐵道部.鐵鑒函[2010]60號 關(guān)于印發(fā)鐵路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)研究科研成果評審意見的通知[Z].北京：中華人民共和國鐵道部,2010．

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[7] 中華人民共和國鐵道部.鐵鑒函[2010]1113號 關(guān)于新建山西中南部鐵路通道設(shè)計活載標(biāo)準(zhǔn)及梁圖設(shè)計意見書的批復(fù)[Z].北京：中華人民共和國鐵道部,2010．

[8] 中華人民共和國鐵道部. GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(2009年版)[S].北京:中國鐵道出版社,2009．

[9] 孫樹禮.高速鐵路橋梁設(shè)計與實踐[M].北京:中國鐵道出版社,2011.

[10] 鐵道第四勘察設(shè)計院.橋梁墩臺[M].北京:中國鐵道出版社,2002．