設(shè)置無縫線路固定端刺橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔡建業(yè)　李　園

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院， 湖北武漢　430063； 2.揚(yáng)州市市政建設(shè)處， 江蘇揚(yáng)州　225002)

1　工程概況

海航特大橋石大路段位于浙江省杭州市境內(nèi)，主要跨越規(guī)劃世紀(jì)大道、筧丁路、滬杭鐵路、石大路等，全長6 312 m。線路主要技術(shù)條件如下。

鐵路等級(jí)：客運(yùn)專線；

正線數(shù)目：雙線；

設(shè)計(jì)速度：350 km/h；

正線線間距：5.0 m；

設(shè)計(jì)活載：ZK活載；

軌道結(jié)構(gòu)：CRTSⅡ型板式無碴軌道。

運(yùn)營需要連續(xù)的CRTSⅡ板式無砟軌道在橋上斷開，為保證縱向連續(xù)的軌道穩(wěn)定，CRTSⅡ板式無砟軌道在某跨梁兩端設(shè)置固定端刺，無砟軌道板與梁體澆筑一體，以此將軌道由于溫度變化產(chǎn)生的強(qiáng)大的縱向力傳遞給橋梁結(jié)構(gòu)，具體技術(shù)要求如下。

(1)梁部承受軌道縱向力

降溫工況下：7.48 MN；

升溫工況下：10.6 MN。

(2)橋梁縱向位移

在上述縱向力作用下，橋梁縱向位移不大于3 mm。

2　橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)海航特大橋184號(hào)墩、185號(hào)墩之間設(shè)置32 m簡(jiǎn)支箱梁，梁高3.05 m，橋墩采用圓端形墩身，墩高14 m，橋跨布置如圖1。因184號(hào)墩、185號(hào)墩之間的簡(jiǎn)支梁上設(shè)置固定端刺，且184號(hào)墩、185號(hào)墩的墩身、承臺(tái)、樁基已經(jīng)施工完工，依據(jù)理論分析，采用184號(hào)墩、185號(hào)墩之間的簡(jiǎn)支梁不架設(shè)，保留184號(hào)墩、185號(hào)墩墩身及其樁基，新建挖孔樁，整體墩身及現(xiàn)澆梁體組成新的橋梁結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)形式及尺寸見圖2。

圖1　橋跨布置(單位：cm)

圖2　新結(jié)構(gòu)輪廓(單位：cm)

2.2　基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

原基礎(chǔ)采用12-φ1.00 m鉆孔樁，樁長分別為53 m、54.5 m，承臺(tái)厚2.5 m。現(xiàn)采用在既有樁基周邊新增31-φ2.50 m鉆孔樁，樁長57 m嵌入弱分化凝灰?guī)r，承臺(tái)厚5 m，新建承臺(tái)將既有承臺(tái)包圍在內(nèi)，新建承臺(tái)及樁基布置見圖2。

3　計(jì)算模型

3.1　有限元計(jì)算模型

采用ANSYS建立實(shí)體模型(圖3)，梁體、墩身、承臺(tái)、樁基均采用SOLID65單元，具體材料參數(shù)見表1。根據(jù)TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，計(jì)算墩身變形時(shí)需對(duì)材料彈性模量進(jìn)行0.8倍折減。

樁土相互作用采用土彈簧法進(jìn)行模擬，采用了以下假定：(1)在同一水平層土壤為各向同性線彈性體；(2)側(cè)向土的性質(zhì)在2個(gè)正交方向彼此無關(guān)；(3)土壤的抗力在軸向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向是不耦合的，且屬于小位移問題；(4)用等待土彈簧來反應(yīng)土層的恢復(fù)力，其剛度用“m”法計(jì)算。土彈簧采用link11單元模擬，采用“m”法計(jì)算土彈簧剛度系數(shù)K值(見表2)。

表1　材料參數(shù)

邊界條件：樁底嵌入凝灰?guī)r，模擬為固結(jié)。

表2　土彈簧剛度系數(shù)K值

圖3　有限元模型

3.2　計(jì)算荷載

根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況確定如下主要計(jì)算荷載。

(1)ZK荷載；

(2)二期恒載：155 kN/m；

(3)縱向力：10.6/7.48 kN；

(4)集中力：10.963 kN，分布荷載：5.613 kN；

(5)相鄰梁端豎向荷載(梁重+二恒+ZK荷載)：9 501.6 kN、8 797.4 kN。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

4.1　結(jié)構(gòu)縱向變形計(jì)算結(jié)果

在最不利荷載工況下，橋梁結(jié)構(gòu)整體縱向變形最大值2.98 mm，位于梁體端刺錨固區(qū)(見圖4)，滿足橋梁縱向位移不大于3 mm規(guī)定。

圖4　整體縱向變形(單位：m)

4.2　應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(最不利荷載工況)：

梁體主拉應(yīng)力最大值1.76 MPa，位于端刺錨固區(qū)，其他區(qū)域最大主拉應(yīng)力值均小于0.9 MPa，見圖5。

圖5　梁體主拉應(yīng)力

墩身主拉應(yīng)力最大值1.35 MPa，位于梁與墩固結(jié)梁端部墩頂，其他區(qū)域基本受壓，見圖6。

圖6　墩身主拉應(yīng)力

承臺(tái)主拉應(yīng)力最大值2.47 MPa，位于圖中深色部分，其他區(qū)域最大主拉應(yīng)力值均小于0.8 MPa，見圖7。

圖7　承臺(tái)主拉應(yīng)力

4.3　配筋

梁體、墩身最大主拉應(yīng)力1.76 MPa，滿足規(guī)范表5.2.1條有箍筋及斜筋時(shí)的主拉應(yīng)力限值要求，根據(jù)主拉應(yīng)力云圖進(jìn)行配筋計(jì)算，梁體除梁頂端刺錨固區(qū)縱向采用φ25鋼筋，間距10 cm，其他部位均采用構(gòu)造配筋，局部位置構(gòu)造鋼筋加強(qiáng)。

承臺(tái)最大主拉應(yīng)力2.47 MPa，位于承臺(tái)底部深色區(qū)域。通過計(jì)算，承臺(tái)底深色區(qū)域需采用φ25雙筋，間距10 cm。

新增31-φ2.50 m鉆孔樁，所有鋼筋均采用Q235鋼筋。通過計(jì)算，需布置52根φ25鋼筋。

5　施工方法

在既有184墩～185墩之間設(shè)計(jì)固定端刺結(jié)構(gòu)，固定端刺結(jié)構(gòu)由樁基、承臺(tái)、墩身以及現(xiàn)澆梁組成，施工順序如下：

①既有184墩、185墩的墩身、承臺(tái)以及樁基均保留，兩墩之間的32 m簡(jiǎn)支箱梁不架設(shè)。

②在既有樁基周邊增加鉆孔樁，再新建整體承臺(tái)。新建承臺(tái)的底面較既有承臺(tái)底面下降0.7 m，新建承臺(tái)頂面較既有承臺(tái)頂面升高0.8 m，新建承臺(tái)將既有承臺(tái)圍包在內(nèi)，清除既有承臺(tái)底面以下0.7 m范圍內(nèi)泥土，保護(hù)好既有樁基。在既有承臺(tái)的頂面及四周利用化學(xué)植筋工法，鉆孔、植筋再加涂E200界面劑，使新、舊混凝土牢固結(jié)合形成整體。

③新建承臺(tái)以上為墩身，其兩端與既有墩身結(jié)合。為使新、舊墩身的牢固結(jié)合，仍選用化學(xué)植筋工法，鉆孔、植筋并加涂E200界面劑。

④墩身以上為現(xiàn)澆梁，現(xiàn)澆梁不安裝支座。現(xiàn)澆梁的周邊外形與本線32 m簡(jiǎn)支箱梁基本一致，由于不安裝支座，因此梁的高度稍大于簡(jiǎn)支箱梁。翼板尺寸與簡(jiǎn)支箱梁等同，頂板、腹板均取較厚尺寸，以保證固定軌道板預(yù)埋鋼筋的錨固深度。不設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，不設(shè)底板，腹板鋼筋錨固于墩身內(nèi)。梁面上也就是橋面上預(yù)埋剪力齒槽，剪力齒槽緊跟梁端硬泡沫塑料板布置，每端4排，雙線鐵路四個(gè)梁端共設(shè)置16排。

6　結(jié)束語

通過對(duì)設(shè)置無縫線路固定端刺橋梁結(jié)構(gòu)空間計(jì)算設(shè)計(jì)表明：

①結(jié)構(gòu)在承受軌道設(shè)計(jì)縱向力最大值10.6 MN的情況下，橋面位移量為2.98 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

②應(yīng)用有限元法得到非桿件結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)力圖形后求得配筋，保證結(jié)構(gòu)配筋的合理。

③應(yīng)用有限元法精確計(jì)算出每根樁基頂外力，保證了樁基、承臺(tái)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確與合理性。

目前，設(shè)置無縫線路固定端刺橋梁結(jié)構(gòu)已建成通車，運(yùn)營情況良好。

[1]TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，2007

[3]孫訓(xùn)方,方孝淑,等.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998

[4]過鎮(zhèn)海,時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003