嚴寒地區鐵路客運專線橋梁設計特點

尚海濤

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

哈齊客專正線全長280.879 km，區間鋪設Ⅰ型板式無砟軌道，設計時速250 km。哈齊客專正線新建橋梁30座，總長173.231 km，橋梁長度占線路長度的61.67%。哈齊客專沿途經過地區歷年最冷月平均最低氣溫均在－17℃以下，歷年極端最低氣溫低于最高氣溫近80℃，是我國高緯度嚴寒地區第一條鐵路客運專線。

哈齊客專橋梁設計時，結合所處嚴寒地區的特點，首先進行梁型、梁跨選擇和支座的選用，然后從結構安全和耐久性方面考慮，針對性地進行梁部防排水和墩臺、基礎的抗凍融設計，并兼顧橋梁附屬設施的設計。另外，現場配合施工時提出相應的越冬保護措施。

2 梁部設計

鐵路橋梁受到日照、溫度、干濕循環等劣化作用，會導致強度與結構安全度降低。后張法預應力混凝土梁往往因注漿不飽滿、混凝土泌水等原因導致結構凍裂或耐久性降低，而日照溫差、突然降溫又會導致梁部結構溫度次內力和溫度次應力的產生［1］。哈齊客專橋上采用無縫線路，梁軌的相互作用在日溫差、年溫差較大的嚴寒地區尤其明顯。為減少橋梁病害的發生，降低養護維修工作量，應該結合線路所處的氣候特征，選擇合理的梁型。

2.1 橋型選擇

哈齊客專簡支梁采用整體剛度較大的雙線整孔箱梁，增大梁體普通鋼筋的保護層厚度，并采用耐低溫新型防水層材料。考慮到總體工期和施工技術條件，采用標準跨度的后張法預應力混凝土簡支梁，集中設置梁場，工廠化生產。盡量減少異形簡支梁的使用，原因是:異形簡支梁如果采用場地現澆，則預應力管道壓漿、混凝土養護等施工質量難以保證;如果采用預制架設，則引起制梁成本增加，并影響架橋機架設作業，還帶來一定的安全風險。

哈齊客專跨哈大高速公路特大橋，跨越高速公路原設計跨度40 m+56 m+40 m連續梁。后因高速公路規劃拓寬，道路主管部門提出主跨跨度調整為64 m。為不影響兩側已施工的簡支梁橋墩，且盡量滿足原來的施組安排，修改設計時，將兩側各4孔32 m簡支梁均調整為31 m簡支梁。現場采用900 t架橋機，通過調整前后支腿間距，可以順利地進行架梁作業。

在跨越立交道路、河流航道等控制工點時，預應力混凝土大跨度連續梁是常用的梁型選擇之一。但位于嚴寒地區的連續梁結構，必須考慮無縫線路的梁軌作用問題。橋上無縫線路鋼軌除受自身溫度力作用之外，還受橋梁附加縱向力作用。橋梁伸縮位移和受彎變形都會使無縫線路鋼軌產生附加力。附加力與線路縱向阻力、橋梁結構、橋梁材料和支座布置等因素有關，當橋梁溫度跨度增加時，附加力增加明顯。大跨度連續梁結構，因溫度變化和列車荷載作用而產生的變形都比較大，鋼軌附加力也較大［2］。根據以往的檢算經驗，溫度跨度超過200 m時，為了保證軌道的安全性和穩定性，往往考慮設置鋼軌伸縮調節器。因設置伸縮調節器地段不利于養護維修，應盡量避免采用。所以，哈齊客專采用的預應力混凝土連續梁梁跨主要有32 m+48 m+32 m、40 m+56 m+40 m、40 m+64 m+40 m、48 m+80 m+48 m、60 m+100 m+60 m 等。

嚴寒地區應盡量避免采用鋼梁橋，除存在行車噪聲大、養護維修繁瑣等不利因素外，鋼梁自身的收縮膨脹受溫度變化的影響較混凝土梁明顯［3］。哈齊客專沿線歷年極端最高氣溫和最低氣溫差值近80℃，如果采用鋼結構橋梁，極易產生病害。

2.2 支座和防水層設計

簡支梁支座采用耐寒型的盆式橡膠支座，除滿足維修和維護條件外，墩臺結構應具備更換支座的條件［4］。承壓板和密封圈采用耐寒性能更好的三元乙丙橡膠。其適用溫度－40～60℃，比常用的氯丁橡膠耐低溫15℃。

梁頂防水層對于嚴寒氣候下的簡支梁使用壽命和結構安全非常重要，哈齊客專橋面防水層，防撞墻外側采用聚氨酯防水涂料，防撞墻內側采用L類氯化聚乙烯防水卷材。考慮到沿線極端最低氣溫達到－39.3℃，明確要求防水層的低溫彎折性不低于－40℃。

2.3 梁頂排水設計

無砟軌道箱梁梁頂，設置即時排水性能更好的六面坡。兩線軌道底座板之間匯水利用線路縱坡縱向排出，不設或少設泄水孔，避免梁體內的縱向排水管冬季凍裂。

3 墩臺設計

混凝土實體墩臺在嚴寒氣候條件下易發生凍融破壞，危及結構安全。哈齊客專橋梁墩臺均在表面加設護面鋼筋，提高混凝土的抗裂安全度。墩臺身上部采用C35鋼筋混凝土，墩臺下部除考慮地表土和地下水的侵蝕性外，位于水中橋墩還根據判定的凍融等級提高了混凝土強度等級［4］，位于河流中的橋墩，另須考慮冰壓力的作用［3］。

以下以松花江特大橋為例說明嚴寒氣候條件河流中的凍融和冰壓力作用下的橋墩設計。

哈齊客專松花江特大橋跨越松花江，松花江百年一遇設計流量Q1/100=17 900 m3/s，百年一遇洪水位120.78 m，常水位116.0 m。主橋梁部結構形式采用(77+3×156.8+77)m四線系桿拱連續梁，橋墩采用三柱之間用帶V形挖孔的板連接成整體流線形。橋墩縱向與水流平行。松花江特大橋橋墩立面如圖1所示。

圖1 松花江特大橋主橋橋墩立面(單位:cm)

松花江特大橋主橋有5個橋墩位于主槽中，平均水深8.5 m。因為橋址位于嚴寒地區，松花江每年四月上旬有流冰，水中橋墩設計時須考慮冰壓力的附加作用［2］。

根據松花江哈爾濱水文站提供的數據，松花江百年一遇流冰期最高水位116.56 m，最低水位111.33 m，百年一遇冰厚 1.7 m。最大流冰塊長200 m，最大流冰塊寬100 m。

作用于橋墩的冰荷載可分為:極限冰壓力，冰堆整體推移的靜壓力，流冰沖擊力，大面積冰層的靜壓力，冰蓋層受溫度影響膨脹時產生的靜壓力［3］。

根據計算，冰堆整體推移的靜壓力(同極限冰壓力)對橋墩作用最大，控制橋墩橫橋向鋼筋布置;作為橫向附加力，同時影響樁基上部配筋。

極限冰壓力計算公式

式中 h——冰的厚度，取0.8倍的百年一遇冰厚;

b——橋墩在流冰水位上的寬度，即橋墩縱寬;

m——橋墩形狀系數，因有破冰棱裝置，按三角形取值;

Ry——冰的抗壓極限強度;

A——地區系數，一般取1.0。

橋墩上游一側設置破冰棱裝置，頂部高于常水位1.5 m，墩身在破冰棱高度范圍內不允許存在施工縫［3］。為提高結構主體抗凍融耐久性，增加鋼筋保護層厚度，在墩身外包一層厚為15 cm的混凝土，強度等級與墩身混凝土相同，高度與破冰棱等高，外包混凝土與墩身關系見圖2。破冰棱外包耐候鋼鋼板，兼做模板。

圖2 松花江特大橋主橋橋墩平面(單位:cm)

4 基礎設計

哈齊客專地處松嫩平原，沿線地形無較大起伏。歷年最熱月平均氣溫與最冷月平均氣溫溫差在40℃左右，地表土壤為季節性凍土，最大凍結深度2.9 m。橋址區地下水位高，地表土多為含水量較大的黏土、粉質黏土等凍脹土，凍脹等級最強為Ⅴ級特強凍脹。根據哈爾濱鐵路局各運營線上橋梁的病害特征，季節性凍土地區的橋梁病害多表現為基礎凍脹拔起或因受力不均而使橋墩產生傾斜，以及基礎頂部開裂等。典型的橋梁基礎凍脹病害示意見圖3。

圖3 牙林線某橋橋墩凍脹隆起示意

避免此類病害的有效方式是將橋墩基礎置于凍結線以下，《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10002.5—2005)6.1.3條和8.3.8條規定，承臺底面應位于凍結線以下不少于0.25 m［6］，但是基礎埋置過深將增大施工難度并影響工程造價。所以，在滿足規范的情況下，為降低工程造價，并為安全儲備，有必要對橋墩基礎承受的凍脹力進行檢算［3］。

4.1 凍脹力的檢算

季節性凍土地區，當基底位于最大季節凍深以下時，切向凍脹力檢算公式

式中 N——基頂以上的荷重，主要為橋墩、梁部及軌道重力荷載;

C——基礎自重以及襟邊以上土柱重;

Qt——基礎位于融化土層的摩擦力。Qt=St×At，其中St為承臺側面與凍融土的單位摩擦力，對黏性土一般采用20 kPa。At為基礎(包括墩身入土部分)在凍融土層中的側面積;

m?——安全系數，對運營階段的靜定結構，取1.2;

T——承臺包括墩身入土部分承受的切向凍脹力。T=Auτ+τ＇，其中 Au為 70% 凍深范圍內基礎和墩身側面積，為有水時冰層中的墩身面積，τ為70%凍深范圍內基礎和墩身側面的單位切向凍脹力，τ＇為冰層對墩身側面的單位切向凍脹力。

哈齊客專橋梁均采用鉆孔樁基礎，為避免因為土的凍脹使承臺底面承受向上的凍脹力造成樁基拉斷或者拉裂，按照規范要求將承臺底面置于凍結線下0.25 m以上。設計時對承臺和墩身下部承受切向凍脹力均進行了抗拔和抗拉檢算。檢算時，均按最不利工況。承臺的抗拔檢算，選取本線墩高采用最小的實體矮墩(墩高1.0 m);橋墩抗拉檢算，選取墩身截面最小，且橋墩入土最深的流線形橋墩。

4.2 基礎及墩身下部混凝土的耐久性措施

根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》(TB10005—2010)，根據地表水及地下水水位以及水、土的侵蝕性情況判定基礎及墩身下部的凍融破壞等級，相應提高其混凝土強度等級，滿足最低抗壓強度。

大體積混凝土施工時，如采用高性能混凝土，往往因水膠比較小導致內部水化熱過大，從而造成混凝土開裂。此時，通過調整混凝土配合比，減少膠凝材料的使用，可以有效降低混凝土內部的水化熱。根據國內相關科研成果，在混凝土中摻加適量的引氣劑，可以滿足較高的抗凍融等級要求［4］。

松花江特大橋水中橋墩及承臺，按耐久性設計規范判定其凍融破壞等級為D3，對應混凝土強度等級為C45［4］。主橋37號墩承臺，尺寸為 19.6 m×40.8 m×5 m(長×寬×高)，混凝土共計3 998.4 m3。根據施工前的試驗和計算顯示，混凝土配合比中水膠比采用0.35時，水化熱導致混凝土出現縱橫向貫穿裂縫。為避免后續施工時出現溫度裂縫影響結構的安全性和耐久性，需要確定合理的混凝土配合比，降低澆筑時產生的水化熱。在混凝土中摻加5.8%的引氣劑，水膠比調至0.38，通過了D3環境下的抗凍融循環試驗。加上其他輔助措施，后期橋墩、承臺施工時有效避免了溫度裂縫的產生。

5 橋梁附屬設計

(1)錐體填方和橋頭缺口填方均以滲水土填筑，并嚴格夯實;在錐體內設置泄水管，避免積水造成冬季凍脹病害。泄水孔的進水側應設置反濾層，用爐渣填充。

(2)考慮到美觀性以及冬季維護的安全要求，墩頂不設或少設吊籃、圍欄等檢查裝置，應采用懸臂式檢查車檢查維護支座。

(3)排水溝槽不宜采用漿砌片石，盡可能采用混凝土結構。

6 橋涵工程施工期間的越冬保護措施

因地處嚴寒地區，橋涵工程在施工期間的越冬保護措施非常重要，不加保護或者保護措施不當，有可能造成廢棄工程。結合現場配合施工經驗，總結相關注意事項如下。

6.1 梁部施工越冬措施

已經施工完成的簡支梁、連續梁，應及時完成防水層、保護層等二期恒載的施工;有條件者，應該對橋面進行遮蓋防護，防止陽光直接照曬。冬休期間，應有專人看守，及時清除梁頂覆雪。

6.2 墩臺施工越冬措施

對于已經施工完成的墩臺，須采取措施將支座預留孔封堵;對于已架梁但預留支座螺栓孔未灌漿的墩臺，須按要求及時灌漿，避免冬季雨雪進入預留孔后引起頂帽凍脹破壞。

6.3 基坑施工越冬措施

已經開挖的基坑，應及時完成基礎工程并按要求回填。如無條件完成，則應利用原狀土回填，避免坑內積水、凍脹降低地基承載力。

6.4 其他

(1)位于河流中的橋墩及基礎施工，入冬前應在上游一側設置破冰棱裝置，防止春節融冰時流冰破壞墩身結構和施工圍堰等。

(2)橋涵工程預埋的螺栓、鋼筋或觀測標、接地端子等小構件，冬休期應采取有效措施防止其銹蝕和變形，并派專人管理，做好防火、防盜工作。

(3)已經施工完畢的涵洞、框構，應及時將上下游排水系統貫通，冬季期間涵內不得積水積雪，防止凍脹引起涵身破壞。入冬前涵洞內有積水的，應采取臨時回填措施，排除洞內積水，確保涵洞不發生凍害，安全越冬。

(4)為避免冬季排水管道凍脹脫落或形成的冰柱影響鐵路、公路行車安全，梁部已施工完成的跨越立交橋梁，跨線處梁部的排水管應進行封堵。

7 結語

鐵路客運專線作為一個系統工程，橋梁工程是其重要的組成部分。設計時應根據所處的自然環境、氣象條件等，選擇合理的設計原則和設計方法。作為我國高緯度嚴寒地區的首條鐵路客運專線，哈齊客專橋梁設計充分考慮了極端氣溫低、年溫差大的氣候特點。既關注結構主體，又兼顧附屬設計。至今，哈齊客專橋梁基礎施工已大部完成，梁部架設施工正在進行。

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