重載鐵路大跨度預應力混凝土框架墩設計實例分析

張世基

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

重載鐵路大跨度預應力混凝土框架墩設計實例分析

張世基

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

山西中南部鐵路通道是我國第一條采用30 t軸重的重載鐵路，某工點處與萊蕪市匯河大道夾角只有16°。通過對跨越方案的綜合比選，選用了橫梁計算跨度為28 m的框架墩方案。結合工程實例，對框架墩進行整體計算和局部分析，擬定出重載作用下大跨度框架墩的合理尺寸，并對主要施工步驟及工藝進行了說明。

重載 大跨度 框架墩 設計實例

1 工程概況

山西中南部鐵路通道是我國第一條采用30 t軸重的重載鐵路，是橫跨山西、河南、山東三省，并連接焦柳、京廣、京九、京滬鐵路干線的重要鐵路運輸通道，以煤炭、焦炭的運輸為主，兼營客運，建成后將成為我國鐵路運輸的一條大動脈。線路在萊蕪地區跨越S242之前，以匯河大道為界，向南為港里鐵礦，向北為垂陽鐵礦，兩礦區之間安全通道最窄距離約195 m，鐵路選線受限。經反復比選，線路首先跨過匯河大道，走行于遠離崩落法采空區的匯河大道北側安全廊道內。本方案繞避采空區，與匯河大道共通道，且繞避了港里村，拆遷實施難度小，有利于城市規劃布局，符合地方政府意見，因而最終采用此方案。

2 框架墩平面布置及場區條件

匯河大道為市政道路，路面寬24 m，瀝青路面，中間無綠化帶，兩側為2.5 m寬人行道，受采空區及城市規劃影響，鐵路與匯河大道夾角只有16°。如采用混凝土連續梁方案，至少需要主跨為120 m的連續梁才能一跨跨越，中支點高9.6 m，邊支點高5.6 m，中墩高16 m，邊墩高20 m，非常不經濟，簡單比較后予以舍棄；經與地方交通部門多次協調，本處采用4孔32 m簡支T梁跨越匯河大道，橋墩采用框架墩，墩柱占壓了部分人行道，采取局部改移。橋址區屬中軟—中硬場地，類別為Ⅱ類，地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.45 s；地下水對混凝土結構具有硫酸鹽侵蝕性，環境作用等級為H1。框架墩平面布置如圖1所示。

圖1 框架墩平面布置(單位：cm)

3 框架墩橫梁形式比選

鐵路橋框架墩橫梁一般有兩種，一種為鋼橫梁，一種為混凝土橫梁，兩種形式橫梁均能滿足各項設計指標，以87號墩為例(本文均以87號墩進行分析)，對兩種橫梁進行比較分析。

如采用鋼橫梁，橫梁全長32 m，頂寬3.5 m，梁高3.7 m；經估算，整個橫梁用鋼量約為241 t。如采用混凝土橫梁，考慮到跨度較大，本次設計采用箱形截面；橫梁全長32 m，頂寬4.5 m，跨中梁高3.3 m；經估算，整個橫梁混凝土用量為439 m3，預應力鋼絞線約為29 t，普通鋼筋約為65 t。

采用鋼橫梁方案，可先將各板材在工廠內生產，現場直接拼裝，施工周期短，對橋下匯河大道影響較小，但鋼橫梁造價比較高，且后期養護維修工作量較大；采用混凝土橫梁，需占用部分道路搭設臨時支架，施工周期較長，但造價低；經與地方交通部門多次溝通，同意在路中設置臨時支墩進行橫梁現澆作業，施工完成后按原標準進行恢復；綜合考慮造價、施工周期、交通部門意見、養護維修等方面，最終選用混凝土橫梁。

4 結構尺寸

框架墩橫梁跨中高3.3 m，支點處高4.3 m，頂寬4.5 m，頂板厚0.8 m，底板厚0.6 m；兩墩柱高18 m，順橋向3.5 m，橫橋向3.0 m；承臺順橋向10.5 m，橫橋向6.5m寬，厚3.0 m；左右兩墩柱均采用6根1.5 m樁基。為避免橫梁內外溫差過大，在兩側腹板上設置直徑為10 cm的通風孔，間距2 m左右；為避免橫梁箱體內積水，在橫梁底部中心設置外徑為16 cm的PVC泄水孔，間距4 m左右。框架墩整體布置如圖2所示。

圖2 框架墩整體布置(單位：cm)

5 建筑材料

支承墊石及橫梁采用C50混凝土，兩墩柱采用C40混凝土，承臺及樁基采用C35混凝土。

預應力鋼束采用1x7-15.2-1860-GB/T5224-2003預應力鋼絞線，圓形鍍鋅金屬波紋管成孔，錨固體系采用自錨式拉絲體系。

普通鋼筋采用HPB300和未經高壓穿水處理過的HRB335、HRB400鋼筋，其中HRB335、HRB400鋼筋的化學成分C+Mn/6應小于或等于0.5%。

6 設計荷載

6.1 恒載

本設計主梁自重5 696 kN；二期恒載包括線路設備、道砟、人行道支架、步板、聲屏障、電纜槽、現澆橋面板及橫隔板濕接縫的重量，取169.24 kN/m。

左右立柱基礎不均勻沉降按不大于1cm考慮。

6.2 活載

目前我國尚無重載鐵路設計規范，山西中南部設計活載、動力系數、橫向搖擺力等參數根據《山西中南部鐵路通道設計活載標準及相關參數研究審查意見》采用，列車活載采用“中-活載(2005)ZH標準(z=1.2)”，荷載圖式如圖3所示。

圖3 中-活載(2005)ZH標準(z=1.2)標準活載

根據審查意見，動力系數、牽引力和制動力系數仍按《鐵路橋涵設計基本規范》公式采用；橫向搖擺力、脫軌荷載的計算原則按《鐵路橋涵設計基本規范》采用，荷載取值提高20%。離心力按《鐵路橋涵設計基本規范》公式采用，作用位置取軌頂以上2.2 m。

6.3 附加力

風力、溫度力、制動力均按《鐵路橋涵設計基本規范》取值。

6.4 特殊荷載

經核實，此處采用“DFGT40/180型公鐵兩用架橋機及配套DY180型運梁車”進行運架梁，設計中采用對應荷載對框架墩進行檢算。

7 結構計算

7.1 荷載組合

根據框架墩整體受力情況，設計時考慮以下10種荷載組合。

組合1：恒載+雙線活載+橫向搖擺力+支座變位；

組合2：恒載+雙線活載+橫向搖擺力+支座變位+風荷載+制動力+升溫；

組合3：恒載+雙線活載+橫向搖擺力+支座變位+風荷載+制動力+降溫；

組合4：恒載+外側單線活載+橫向搖擺力+支座變位；

組合5：恒載+外側單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風荷載+制動力+升溫；

組合6：恒載+外側單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風荷載+制動力+降溫；

組合7：恒載+內側單線活載+橫向搖擺力+支座變位；

組合8：恒載+內側單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風荷載+制動力+升溫；

組合9：恒載+內側單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風荷載+制動力+降溫；

組合10：恒載+長鋼軌力+支座變位。

7.2 橫梁計算

本設計框架墩橫梁預應力計算采用PRBP進行計算，共分42個單元，劃分單元如圖4所示。

圖4 單元劃分

預應力鋼束N1采用19-7φ5，N2～N7采用17-7φ5，錨下控制應力取0.72fpk左右；其中N1～N2鋼束第一批進行張拉，N3～N7鋼束第二批進行張拉。

7.3 計算結果

經檢算，在運架梁工況下，對于橫梁上緣，最大壓應力為8.28 MPa，最小壓應力為0.72 MPa；對于橫梁下緣，混凝土最大壓應力10.03 MPa，最小壓應力3.92 MPa。施工階段橫梁上下緣最大、最小應力均滿足規范要求。

運營狀態下，橫梁預應力計算結果如表1所示。

表1 框架墩橫梁組合應力計算結果

從表1可以看出：主力工況下，對于橫梁上緣，最大壓應力為16.64 MPa，最小壓應力為3.49 MPa；對于橫梁下緣，混凝土最大壓應力15.33 MPa，最小壓應力3.26 MPa。運營階段橫梁上下緣最大、最小應力均滿足規范要求。

運營狀態下，框架墩強度安全數及出現的單元號如表2所示。

7.4 框架墩立柱計算

采用MIDAS計算兩個墩柱各截面最大彎矩，各截面彎矩計算結果如表3所示。

表2 橫梁正截面強度計算結果

表3 墩柱截面最大彎矩

根據各截面彎矩計算結果，墩柱與橫梁相接的32、43截面彎矩最大，兩墩柱主筋均采用32 mm鋼筋，換算到主力工況下，鋼筋最大應力為178.5 MPa，最大裂縫寬度為0.198 mm，均滿足規范要求。

7.5 基礎計算

承臺滿足剛性角，只配置構造鋼筋；根據MIDAS整體模型計算的承臺底反力，采用群樁計算程序計算基樁內力。經計算，左右墩柱均采用6根1.5 m樁基，左側立柱樁長42 m，最大樁基內力為9 410.1 kN，右側立柱樁長38 m，最大樁基內力為8 280.7 kN，均為主加附控制樁長。

7.6 局部應力分析

框架墩局部應力采用ANSYS軟件進行，建立完整的框架墩模型，包括橫梁、墩柱、承臺。其中，實體部分采用solid45單元模擬，預應力筋采用link8單元模擬；荷載條件主要考慮框架墩自重、由支承墊石傳遞的上部結構恒載及活載，在承臺底施加邊界條件。

8 施工步驟

框架墩的施工步驟主要分為以下幾步。

第一步：鉆孔樁施工，支模現澆承臺及墩柱。

第二步：待墩柱混凝土彈性模量達到90%，且養護時間不小于5天后，支架施工橫梁混凝土。

施工前在支架上堆載不小于支架所承受最大施工荷載的110%進行預壓，并實測支架的沉降和變形，以便提前設置預拱度，確保梁底高程符合規范要求，同時支架受力要能滿足預應力張拉時結構壓縮對支架產生的縱向力。

第三步：橫梁混凝土強度達到設計值90%，且養護時間不小于5天后，張拉第一批預應力鋼束，張拉完成后進行管道壓漿，拆除橫梁支架。

第四步：待管道壓漿達到設計強度后，灌注支承墊石混凝土。

第五步：架設梁體。

第六步：梁體架設完成后，張拉批二批預應力鋼束，鋼束張拉后立即管道壓漿，采用C50補償收縮混凝土進行封錨。

第七步：現澆T梁濕接縫，施工橋面系。

[1] TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

[2] TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

[3] TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S]

[4] TB10002—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S]

[5] 鐵建設函[2003]205號新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定[S]

[6] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.萊蕪地區繞避采空區改線補充初步設計報告[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2012

[7] 孟慶濤.山西中南部鐵路斜交剛構連續梁橋設計[J].鐵道勘察，2013(5)

[8] 張明欣.大跨徑框架墩在跨線橋中的應用[J].公路，2009(7)

[9] 田萬俊.預應力混凝土框架墩設計研究[J].鐵道標準設計，2003(8)

[10] 中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.重載鐵路發展概況[R].北京：中國鐵道科學研究院，2011

[11] 胡國華.山西中南部鐵路通道重載連續梁設計[J].鐵道勘察，2012(3)

DesignExampleAnalysisofHeavyHaulRailwayLarge-SpanPrestressedConcreteFramePiers

ZHANG Shiji

2013-11-26

張世基(1981—)，男，2004年畢業于西南交通大學橋梁專業，工程師。

1672-7479(2014)01-0101-04

U442.5

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