重載鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)實(shí)例分析

張世基

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055)

重載鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)實(shí)例分析

張世基

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(diǎn)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(jì)算跨度為28 m的框架墩方案。結(jié)合工程實(shí)例，對框架墩進(jìn)行整體計(jì)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(jìn)行了說明。

重載 大跨度 框架墩 設(shè)計(jì)實(shí)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(yùn)輸通道，以煤炭、焦炭的運(yùn)輸為主，兼營客運(yùn)，建成后將成為我國鐵路運(yùn)輸?shù)囊粭l大動脈。線路在萊蕪地區(qū)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(qū)之間安全通道最窄距離約195 m，鐵路選線受限。經(jīng)反復(fù)比選，線路首先跨過匯河大道，走行于遠(yuǎn)離崩落法采空區(qū)的匯河大道北側(cè)安全廊道內(nèi)。本方案繞避采空區(qū)，與匯河大道共通道，且繞避了港里村，拆遷實(shí)施難度小，有利于城市規(guī)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(qū)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(cè)為2.5 m寬人行道，受采空區(qū)及城市規(guī)劃影響，鐵路與匯河大道夾角只有16°。如采用混凝土連續(xù)梁方案，至少需要主跨為120 m的連續(xù)梁才能一跨跨越，中支點(diǎn)高9.6 m，邊支點(diǎn)高5.6 m，中墩高16 m，邊墩高20 m，非常不經(jīng)濟(jì)，簡單比較后予以舍棄；經(jīng)與地方交通部門多次協(xié)調(diào)，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(qū)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(yīng)譜特征周期為0.45 s；地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有硫酸鹽侵蝕性，環(huán)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(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，以87號墩為例(本文均以87號墩進(jìn)行分析)，對兩種橫梁進(jìn)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(jīng)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(shè)計(jì)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(jīng)估算，整個橫梁混凝土用量為439 m3，預(yù)應(yīng)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(nèi)生產(chǎn)，現(xiàn)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(jià)比較高，且后期養(yǎng)護(hù)維修工作量較大；采用混凝土橫梁，需占用部分道路搭設(shè)臨時(shí)支架，施工周期較長，但造價(jià)低；經(jīng)與地方交通部門多次溝通，同意在路中設(shè)置臨時(shí)支墩進(jìn)行橫梁現(xiàn)澆作業(yè)，施工完成后按原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行恢復(fù)；綜合考慮造價(jià)、施工周期、交通部門意見、養(yǎng)護(hù)維修等方面，最終選用混凝土橫梁。

4 結(jié)構(gòu)尺寸

框架墩橫梁跨中高3.3 m，支點(diǎn)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(nèi)外溫差過大，在兩側(cè)腹板上設(shè)置直徑為10 cm的通風(fēng)孔，間距2 m左右；為避免橫梁箱體內(nèi)積水，在橫梁底部中心設(shè)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(yù)應(yīng)力鋼束采用1x7-15.2-1860-GB/T5224-2003預(yù)應(yīng)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(jīng)高壓穿水處理過的HRB335、HRB400鋼筋，其中HRB335、HRB400鋼筋的化學(xué)成分C+Mn/6應(yīng)小于或等于0.5%。

6 設(shè)計(jì)荷載

6.1 恒載

本設(shè)計(jì)主梁自重5 696 kN；二期恒載包括線路設(shè)備、道砟、人行道支架、步板、聲屏障、電纜槽、現(xiàn)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(chǔ)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(shè)計(jì)規(guī)范，山西中南部設(shè)計(jì)活載、動力系數(shù)、橫向搖擺力等參數(shù)根據(jù)《山西中南部鐵路通道設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)研究審查意見》采用，列車活載采用“中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)”，荷載圖式如圖3所示。

圖3 中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)標(biāo)準(zhǔn)活載

根據(jù)審查意見，動力系數(shù)、牽引力和制動力系數(shù)仍按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》公式采用；橫向搖擺力、脫軌荷載的計(jì)算原則按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》采用，荷載取值提高20%。離心力按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》公式采用，作用位置取軌頂以上2.2 m。

6.3 附加力

風(fēng)力、溫度力、制動力均按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》取值。

6.4 特殊荷載

經(jīng)核實(shí)，此處采用“DFGT40/180型公鐵兩用架橋機(jī)及配套DY180型運(yùn)梁車”進(jìn)行運(yùn)架梁，設(shè)計(jì)中采用對應(yīng)荷載對框架墩進(jìn)行檢算。

7 結(jié)構(gòu)計(jì)算

7.1 荷載組合

根據(jù)框架墩整體受力情況，設(shè)計(jì)時(shí)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(fēng)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(fēng)荷載+制動力+降溫；

組合4：恒載+外側(cè)單線活載+橫向搖擺力+支座變位；

組合5：恒載+外側(cè)單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風(fēng)荷載+制動力+升溫；

組合6：恒載+外側(cè)單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風(fēng)荷載+制動力+降溫；

組合7：恒載+內(nèi)側(cè)單線活載+橫向搖擺力+支座變位；

組合8：恒載+內(nèi)側(cè)單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風(fēng)荷載+制動力+升溫；

組合9：恒載+內(nèi)側(cè)單線活載+橫向搖擺力+支座變位+長鋼軌力+風(fēng)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(jì)算

本設(shè)計(jì)框架墩橫梁預(yù)應(yīng)力計(jì)算采用PRBP進(jìn)行計(jì)算，共分42個單元，劃分單元如圖4所示。

圖4 單元劃分

預(yù)應(yīng)力鋼束N1采用19-7φ5，N2～N7采用17-7φ5，錨下控制應(yīng)力取0.72fpk左右；其中N1～N2鋼束第一批進(jìn)行張拉，N3～N7鋼束第二批進(jìn)行張拉。

7.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)檢算，在運(yùn)架梁工況下，對于橫梁上緣，最大壓應(yīng)力為8.28 MPa，最小壓應(yīng)力為0.72 MPa；對于橫梁下緣，混凝土最大壓應(yīng)力10.03 MPa，最小壓應(yīng)力3.92 MPa。施工階段橫梁上下緣最大、最小應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

運(yùn)營狀態(tài)下，橫梁預(yù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 框架墩橫梁組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

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

運(yùn)營狀態(tài)下，框架墩強(qiáng)度安全數(shù)及出現(xiàn)的單元號如表2所示。

7.4 框架墩立柱計(jì)算

采用MIDAS計(jì)算兩個墩柱各截面最大彎矩，各截面彎矩計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 橫梁正截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表3 墩柱截面最大彎矩

根據(jù)各截面彎矩計(jì)算結(jié)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(yīng)力為178.5 MPa，最大裂縫寬度為0.198 mm，均滿足規(guī)范要求。

7.5 基礎(chǔ)計(jì)算

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

7.6 局部應(yīng)力分析

框架墩局部應(yīng)力采用ANSYS軟件進(jìn)行，建立完整的框架墩模型，包括橫梁、墩柱、承臺。其中，實(shí)體部分采用solid45單元模擬，預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)澆承臺及墩柱。

第二步：待墩柱混凝土彈性模量達(dá)到90%，且養(yǎng)護(hù)時(shí)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(jìn)行預(yù)壓，并實(shí)測支架的沉降和變形，以便提前設(shè)置預(yù)拱度，確保梁底高程符合規(guī)范要求，同時(shí)支架受力要能滿足預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)結(jié)構(gòu)壓縮對支架產(chǎn)生的縱向力。

第三步：橫梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值90%，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于5天后，張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束，張拉完成后進(jìn)行管道壓漿，拆除橫梁支架。

第四步：待管道壓漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，灌注支承墊石混凝土。

第五步：架設(shè)梁體。

第六步：梁體架設(shè)完成后，張拉批二批預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束張拉后立即管道壓漿，采用C50補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行封錨。

第七步：現(xiàn)澆T梁濕接縫，施工橋面系。

[1] TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]

[2] 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]

[3] TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4] TB10002—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5] 鐵建設(shè)函[2003]205號新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[6] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.萊蕪地區(qū)繞避采空區(qū)改線補(bǔ)充初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2012

[7] 孟慶濤.山西中南部鐵路斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察，2013(5)

[8] 張明欣.大跨徑框架墩在跨線橋中的應(yīng)用[J].公路，2009(7)

[9] 田萬俊.預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(8)

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

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

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ZHANG Shiji

2013-11-26

張世基(1981—)，男，2004年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁專業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)01-0101-04

U442.5

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