天津西南環(huán)線(xiàn)鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計(jì)

商耀兆

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程概況

天津鐵路樞紐西南環(huán)線(xiàn)擴(kuò)能改造工程是鐵三院重點(diǎn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。本工點(diǎn)位于此項(xiàng)目的獨(dú)流至南河上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)跨獨(dú)流減河特大橋上，框架墩為跨越京滬鐵路而設(shè)。聯(lián)絡(luò)線(xiàn)等級(jí)為國(guó)鐵 I級(jí)，單線(xiàn)，設(shè)計(jì)速度160 km/h，采用單線(xiàn)簡(jiǎn)支T梁，梁跨16 m。

橋址處地震烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地2區(qū)。地質(zhì)土層主要由黏性土及砂類(lèi)土組成，環(huán)境土在氯鹽環(huán)境下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)L1。

2 框架墩布置

上行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)與京滬鐵路交叉角度為6°～9°，京滬鐵路此段為路堤，高約5m，要求凈空≥7.56 m。

框架墩橫梁的布置方式一般有與上跨線(xiàn)垂直和與下穿線(xiàn)垂直兩種，與上跨線(xiàn)垂直布置有利于框架墩橫梁上布置支座，但會(huì)增加框架墩橫梁的跨度;與下穿線(xiàn)垂直布置能減小橫梁跨度，但需注意支座至橫梁邊緣的距離，不滿(mǎn)足規(guī)范時(shí)還要增設(shè)牛腿。

綜合考慮以上因素，本工點(diǎn)采用框架墩橫梁與上跨線(xiàn)垂直布置，但承臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度，與下穿線(xiàn)路肩平行，平面布置示意如圖1。

圖1 框架墩平面布置

3 結(jié)構(gòu)尺寸

由于聯(lián)絡(luò)線(xiàn)線(xiàn)路縱斷面的限制，要求框架墩橫梁高度≤2.2 m，所以采用鋼橫梁、鋼筋混凝土墩柱的結(jié)構(gòu)形式。

鋼橫梁采用單箱單室箱形截面，梁高為2.1 m，梁寬2.2 m。鋼橫梁腹板內(nèi)側(cè)設(shè)有豎向加勁肋及水平加勁肋。橫梁內(nèi)每隔2.0m左右設(shè)1道橫隔板，并在支座位置設(shè)橫隔板，隔板間設(shè)豎向加勁肋?？蚣芏樟⒅捎米兘孛妫v向均為2.0m，橫向?yàn)?.0～2.5m變寬。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 框架墩立面布置(單位:cm)

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 有限元模型

利用有限元程序MIDAS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，墩柱及橫梁用三維梁?jiǎn)卧M，樁基礎(chǔ)用彈簧模擬，由于框架墩上為簡(jiǎn)支梁跨，并且相鄰橋墩高度相近，可以用單墩模型進(jìn)行檢算，空間模型如圖3所示。

圖3 單墩有限元模型

4.2 墩頂固結(jié)方式比選

根據(jù)施工方法的不同，墩頂固結(jié)方式一般分為先鉸接后固結(jié)和一次固結(jié)兩種。先鉸接后固結(jié)是墩身混凝土澆至距離橫梁底1 m時(shí)，在其上設(shè)置臨時(shí)支撐墊石，鋼橫梁底設(shè)置臨時(shí)鋼板支座，架設(shè)框架墩鋼橫梁后先不澆筑墩頂連接段的微膨脹混凝土，而是架設(shè)上面的簡(jiǎn)支梁，鋼橫梁變形后再澆筑墩頂連接段混凝土形成永久固結(jié)。一次固結(jié)是常規(guī)的施工方法，架設(shè)鋼橫梁后直接澆筑墩頂連接段混凝土形成永久固結(jié)，然后再架設(shè)簡(jiǎn)支梁等。

兩種施工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，一次固結(jié)工序簡(jiǎn)單，施工方便，但墩柱頂?shù)呢?fù)彎矩較大;先鉸接后固結(jié)工序相對(duì)繁瑣，但能有效減小墩柱頂?shù)呢?fù)彎矩，減小墩柱截面及配筋量，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。

線(xiàn)路中心線(xiàn)處于跨中附近與線(xiàn)路中心線(xiàn)處于梁端附近時(shí)的兩種固結(jié)方式內(nèi)力如表1、表2所示。

表1 線(xiàn)路中心線(xiàn)處于跨中附近時(shí)的內(nèi)力 kN·m

由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)線(xiàn)路中心線(xiàn)處于跨中附近時(shí)，采用先鉸接后固結(jié)的施工方法能有效減小墩柱頂負(fù)彎矩，并且橫梁所受內(nèi)力增加不大，較經(jīng)濟(jì)合理;而線(xiàn)路中心線(xiàn)處于橫梁端部附近時(shí)，先鉸接后固結(jié)施工的意義不大，可采用一次固結(jié)方式施工。

表2 線(xiàn)路中心線(xiàn)處于橫梁端部附近時(shí)的內(nèi)力 kN·m

本工點(diǎn)59#，66#，67#墩采用一次固結(jié)法施工，而60#～65#墩采用先鉸接后固結(jié)的施工工序。

4.3 材料選取及控制指標(biāo)

根據(jù)計(jì)算應(yīng)力及環(huán)境侵蝕等級(jí)，鋼橫梁鋼板采用Q345qD鋼材，墩柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，墩柱柱頂外包鋼板內(nèi)及鋼橫梁橫隔板間采用C40微膨脹混凝土，承臺(tái)及樁基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

鋼橫梁的基本容許應(yīng)力需考慮板厚折減，軸向容許應(yīng)力取190mPa;彎曲容許應(yīng)力取軸向容許應(yīng)力的1.05倍，即199.5mPa;容許剪應(yīng)力取軸向容許應(yīng)力的0.6倍，即114 MPa;端部承壓容許應(yīng)力取軸向容許應(yīng)力的1.5倍，即285mPa。根據(jù)連接方式，疲勞容許應(yīng)力幅取99.9 MPa。

經(jīng)檢算，在主力、主力+附加力、地震力組合等工況作用下，鋼橫梁及墩身強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求。

框架墩的位移控制值由規(guī)范規(guī)定的荷載工況計(jì)算，位移計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 框架墩墩頂縱橫向位移 mm

5 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1)墩頂與橫梁的固結(jié)方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，線(xiàn)位處于橫梁跨中附近時(shí)選用先鉸接后固結(jié)的施工工序，能有效減小墩柱頂負(fù)彎矩，使內(nèi)力分布均勻，用材節(jié)約，經(jīng)濟(jì)合理。

2)框架墩為超靜定結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大。如果輸入的剛度偏大，會(huì)使墩柱及基礎(chǔ)的受力偏大，而橫梁的受力偏小，造成墩柱設(shè)計(jì)偏保守，橫梁設(shè)計(jì)偏于不安全;如果輸入的剛度偏小，結(jié)果恰恰相反。所以應(yīng)根據(jù)地質(zhì)資料及試算的基底反力，確定基礎(chǔ)布置形式，算出接近實(shí)際的基礎(chǔ)剛度，當(dāng)然因果相互制約，有時(shí)需要反復(fù)調(diào)試。

3)應(yīng)注意溫度荷載的取值，混凝土構(gòu)件的截面面積愈大則導(dǎo)熱性愈差，所以除了受大氣影響使整體升降溫外，日照溫差應(yīng)加溫度梯度;而鋼梁的截面面積小、導(dǎo)熱性好(約為混凝土的50倍)，日照溫差按鋼梁整體升降溫即可。另外混凝土構(gòu)件的溫度取月平均氣溫，而鋼梁應(yīng)按極端溫度加載。

4)鋼橫梁框架墩的墩柱為混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，墩柱頂?shù)慕Y(jié)合部分應(yīng)設(shè)置合理的連接構(gòu)造。如設(shè)置連接鋼板、剪力釘、微膨脹混凝土等。

5)鋼構(gòu)件的容許應(yīng)力注意按板厚折減，局部穩(wěn)定主要由規(guī)范對(duì)構(gòu)件的寬厚比限值、加勁肋設(shè)置等規(guī)定保證，局部小構(gòu)件可按歐拉應(yīng)力控制。

6)鋼橫梁做為橋墩的一部分，其撓跨比規(guī)范未明確，筆者認(rèn)為若按撓跨比控制，需考慮上部梁跨的變形，即考慮綜合撓跨比。另外，也可將橫梁撓度計(jì)入橋墩的豎向位移。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼橫梁框架墩能有效解決新建線(xiàn)路與所跨越鐵路或公路交叉角度小的問(wèn)題，鋼橫梁的截面高度小、橫梁跨度大，對(duì)小角度跨越多線(xiàn)鐵路或較寬的公路，尤其是凈空及縱斷面限制結(jié)構(gòu)高度時(shí)，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

鋼橫梁框架墩的橫梁可在工廠(chǎng)預(yù)制，既能保證施工質(zhì)量，又可縮短工期，在跨越運(yùn)輸繁忙，要點(diǎn)困難的鐵路時(shí)更加實(shí)用。

綜上，鋼橫梁框架墩是類(lèi)似工點(diǎn)值得推薦的結(jié)構(gòu)形式。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.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［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［4］歐陽(yáng)章智，王東權(quán)，于廣云，等.空心型箱形框架橋力學(xué)特性有限元分析［J］.鐵道建筑，2011(4):9-12.

［5］黃棠，王效通.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(上)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1989.