哈齊客運專線四線鐵路橋墩設計

顧津申

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

哈齊客運專線四線鐵路橋墩設計

顧津申

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

以哈爾濱至齊齊哈爾客運專線松花江特大橋主橋橋墩為例，詳細論述四線鐵路橋墩的設計思路與設計方法，給出四線鐵路橋墩設計時應重點關注的荷載組合工況;通過對冰壓力荷載的分析，提出高緯度嚴寒地區橋墩的設計建議，對相同類型的工程具有一定的參考和借鑒意義。

哈齊客運專線;四線鐵路橋墩;冰壓力;荷載組合

1 工程概述

哈爾濱至齊齊哈爾客運專線松花江特大橋主橋采用1－(78+3×156+78)m鋼管混凝土拱加勁連續梁，四線并行，設計線間距為4.4m+8m+4.4m。哈齊客運專線為雙線，設計活載為ZK活載，設計速度為200 km/h;改建濱洲線為雙線，設計活載為中－活載，設計速度為160 km/h。橋址位于高緯度嚴寒地區，冬季寒冷干燥漫長，最冷月平均氣溫均低于－15℃。主橋位于直線上，所處地區設防烈度為Ⅵ度。如圖1所示。

2 橋墩構造擬定

圖1 松花江特大橋主橋立面圖(單位:cm)

松花江特大橋主橋上部活載為四線鐵路，橋墩構造設計首先應滿足橫向寬度要求;其次由于上部荷載較大，支座尺寸也將控制橋墩頂帽的縱橫向構造。若采用現有客運專線鐵路圓端形實體橋墩形式，橋墩混凝土方量勢必較大;若采用框架結構橋墩，橋墩底部由于較大溫差產生的溫度應力將使得墩底截面配筋量很難控制。故在綜合考慮橋墩結構設計的安全、美觀及經濟性的情況下，滿足上部結構支座布置要求的同時，擬定橋墩形式為三圓柱加肋混凝土橋墩。中間墩頂帽橫向寬26.8m，兩側圓柱直徑為6m，中間圓柱直徑為7m，中間肋板縱向長度為3m，如圖2所示;邊墩頂帽連續梁側橫向寬度為24.6m，3個圓柱直徑都為5m，中間肋板寬度為3m，如圖3所示。邊墩兩側墩頂均預留槽孔，方便支座養護維修的需要。

圖2 主墩頂帽平面

圖3 邊墩頂帽平面

墩身結構形式采用與頂帽結構相同的形式。主墩3個圓柱之間的肋板從墩頂處采用“U”形圓弧曲線過渡開槽。既起到排水的作用，同時增加視覺上的美觀效果。

松花江冰凍期冰層最大厚度達到1.3 m，冬季封凍時間長，冰壓力對橋墩結構的影響極為顯著，因此位于松花江干流內主橋橋墩破冰棱的布置就變得尤為重要。為了減少冰凍期內，流冰撞擊對橋墩結構的影響，于墩身迎冰面流冰水位1.5m以下，設置混凝土破冰棱，破冰棱前端埋設角鋼與護面鋼板，并且在破冰棱高度范圍內，于墩身四周外包混凝土保護層，防止迎水面以外方向碰撞對墩身結構的影響。如圖4、圖5所示。

圖4 主墩正、側面

圖5 邊墩正、側面

3 墩荷載與檢算

3.1 橋墩設計荷載

四線橋墩設計時除了考慮常規荷載外，應重點關注橋墩承受多線活載的情況。由于本橋活載類型為兩線中活載和兩線ZK活載，規范中未見明文規定，參考《鐵路橋涵設計基本規范》、《高速鐵路設計規范》(試行)以及歐洲規范，整體計算時，雙線及雙線以下活載不折減;三線及三線以上活載考慮折減系數為0.8，考慮滿載和偏載工況。

由于哈齊客運專線松花江特大橋主橋位于嚴寒地區，橋位處年平均氣溫約為4℃，冰凍期時間長。百年一遇流冰期最高水位為116.56m，百年一遇河心冰厚為1.7m。故冰壓力為該橋墩設計的主要控制因素之一。

對位于有冰凌河流內的橋墩，冰壓力荷載應考慮以下幾種情況:(1)河流流冰產生的動壓力;(2)風和水流作用于大面積冰層產生的靜壓力;(3)冰覆蓋層受溫度影響膨脹時的靜壓力(在閉塞空間);(4)冰堆整體推移的靜壓力;(5)冰層因水位升降產生的豎向作用力。

由于確定各種冰荷載的計算方法很多，分別將不同公式計算橋墩冰壓力的結果列于表1。

表1 不同公式計算橋墩冰壓力結果 kN

從表1可以看出，冰蓋層膨脹產生的靜壓力為冰壓力的控制荷載。但根據規定:如采用其他方法求得的水平向冰壓力大于極限冰壓力時，應按極限冰壓力設計［1］。即作用在橋墩上的冰壓力不會大于使冰自身結構破壞的外力。鑒于目前對于冰壓力的研究和計算方法還不成熟，橋墩計算時可以采用極限冰壓力作為設計依據進行橋墩設計檢算。

3.2 荷載組合

松花江特大橋主橋梁部為四線行車，即哈齊客運專線正線(上下行)，改建濱州線(上下行)。其中哈齊客運專線正線荷載形式為ZK活載，改建濱州線的荷載形式為中－活載。

橋墩設計時，應考慮主力、主+附(縱、橫向)以及主+特(縱、橫向)各種控制荷載在相同方向疊加時最不利的組合情況。根據分析計算橋墩主要的控制工況如表2所示。

表2 橋墩設計主要控制工況

3.3 橋墩強度、剛度和穩定性驗算

松花江主橋為四線并行且上部荷載較大，下部橋墩結構應滿足規范要求的剛度及穩定性等要求，故橋墩采用混凝土結構設計。

3.3.1 墩頂水平位移

墩臺的縱向及橫向水平剛度應滿足列車行車安全性和旅客乘車舒適度的要求，并對最不利荷載作用下墩臺頂的橫向及縱向計算彈性水平位移進行控制［2］。

橋墩在豎向靜活載、制動力或牽引力、風力(縱向)、伸縮力等的作用下，橋墩墩頂的縱向水平位移總和如表3所示。

表3 松花江主橋橋墩墩頂縱向水平位移 mm

橋墩在列車橫向搖擺力、冰壓力、風力和溫度的作用下，橋墩墩頂的橫向水平位移如表4所示。

根據規范規定:在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，由墩臺橫向水平位移引起的相鄰結構物橋面處軸線間的水平折角不得超過1‰，即固定墩:L×0.5‰=156×0.5‰=78 mm，邊墩:L×0.5‰=32×0.5‰=16mm，按照幾何線性內插，37號橋墩的限值為36.7mm;39號橋墩的限值為53.2mm;40號橋墩的限值為28.4mm。對比表4中的數值，每個橋墩在荷載作用下的實際橫向位移均小于規范限值，因此滿足要求。

表4 松花江主橋橋墩墩頂橫向水平位移 mm

3.3.2 橋墩截面強度

混凝土和砌體墩臺的截面強度應按下式檢算［3］

橋墩上部采用C35混凝土，下部除考慮地表土和地下水的侵蝕性外，位于水中橋墩凍融破壞等級為D3，故而適當提高了混凝土強度等級。C35混凝土對應的混凝土的容許壓應力=9.4 MPa。計算主力加附加力時，其容許壓應力可以提高30%。

將上述所列荷載依次組合，邊墩簡支梁側荷載按照單孔重載及單孔輕載考慮，分別計算橋墩墩底截面強度。因為荷載組合比較多，這里列出部分墩高的控制工況墩底計算截面應力值，見表5。

表5 松花江主橋橋墩墩底部分截面應力

從表5中的數值可以看出，不同橋墩在控制荷載工況作用下的墩底截面壓應力均小于9.4 MPa，滿足規范規定，故橋墩截面強度檢算符合要求。

3.3.3 墩身偏心

在各種荷載組合作用下，混凝土的實體墩臺身截面上法向合力的偏心距e應符合下列規定:

主力 e/S≤0.5

主力+附加力(圓形截面) e/S≤0.5

主力+附加力(其他形狀截面) e/S≤0.6

主力+特殊荷載 e/S≤0.7

式中，S系沿截面重心與合力作用點的連線上量取，自截面重心至該連線與截面外包輪廓線的交點的距離［3］。

將上述墩底截面應力所對應的荷載組合下，不同墩身截面的e/S值列于表6。

表6 松花江主橋橋墩墩底部分截面e/S

從表6可以明顯看到，不同橋墩在不同荷載組合下，控制荷載工況作用時的墩身截面偏心滿足規范規定，故橋墩截面偏心符合要求。

3.3.4 墩身縱向穩定性

混凝土的墩臺在中心受壓及偏心受壓時，其整體縱向穩定性應按下式檢算［3］

式中 N——作用于墩臺頂面處的軸向壓力，MN;

K——安全系數，對于整體灌注的混凝土墩臺，

主力時K=2.0，主力加附加力時K=1.6;

Ncr——墩臺順截面回轉半徑較小方向彎曲的縱向彎曲(屈曲)臨界荷載，MN。

在影響橋墩失穩的控制荷載作用下，檢算橋墩順橋向及橫橋向的縱向穩定性，求得Ncr/N的比值，將部分計算結果列于表7中。

表7 松花江主橋橋墩縱向穩定性部分計算結果

對比表7中的計算結果與規范要求的安全系數，墩身在控制荷載作用下的縱向穩定性系數大于規范要求的安全值，計算結果滿足規范規定，因此墩身縱向穩定性檢算符合要求。

通過比較上面墩身截面強度、偏心和縱向穩定性的結果可以看到，相同截面形狀的橋墩，其墩身截面強度隨著作用于墩身截面處的豎向力及彎矩的增大而增大;橋墩的偏心與截面所受豎向力成反比，所受彎矩成正比;而橋墩的縱向穩定性只與豎向力有關。

4 結語

隨著鐵路的發展，在考慮安全和穩定性的同時，結構的整體性和美觀也逐漸被運用到實際工程中，越來越多的四線甚至多線橋梁將被采用。松花江特大橋主橋四線橋墩的設計過程為高緯度嚴寒地區多線橋墩設計提供了一定的參考價值。

(1)嚴寒地區橋墩于迎水面需設置破冰棱，破冰棱高度應位于流冰水位1.5m以上。冰壓力計算中，冰蓋層膨脹產生的靜壓力在各種冰壓力計算值中較大。但由于其荷載大于使冰自身結構破壞的外力，故設計中在進行橋墩冰壓力計算時，采用極限冰壓力作為橋墩設計的控制因素，可以保證結構設計的安全性。

(2)四線橋墩在設計過程中，由于多線活載的作用，橋墩荷載組合形式繁多，為了減少計算工作量，應首先對荷載組合進行適當的篩選。對于多種活載工況，在設計時只需考慮多線同時行車與一側同時行車的情況(規范有其他規定的除外)。在恒載一定的情況下，多線同時行車可作為豎向力的控制工況，一側同時行車可作為偏載彎矩的控制工況。

(3)對于文中的四線橋墩結構，四線活載同時作用時，冰壓力及地震力作為附加力和特殊荷載都是橋墩設計荷載的控制值，設計時可以重點關注該荷載的作用方向，在相同方向疊加剩余荷載，將此作為橋墩設計計算中的最不利荷載組合之一。

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Design of Four-Track Railway Bridge Pier on Harbin-Qiqihar Passenger Dedicated Line

GU Jin-shen

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

In this paper，the bridge pier design of the main bridge for the Songhua River super major bridge on Harbin-Qiqihar passenger dedicated line was taken as the example．Then this paper analyzed the design idea and designmethod for four-track railway bridge pier，and proposed the work conditions of load combination which should be focused on during design of four-track railway bridge pier．Furthermore，via analysis on ice pressure load，some advices were given in this paper regarding bridge pier design in high latitude and severe cold area，having certain reference value to the similar projects．Key words:Harbin-Qiqihar passenger dedicated line;four-track railway bridge pier;ice pressure;load combination

U442.5

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．015

1004－2954(2014)03－0063－04

2013－11－28

顧津申(1982—)，男，工程師。