客貨共線鐵路T梁圓端形空心墩參考圖總體設計

吳文華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安　710043)

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客貨共線鐵路T梁圓端形空心墩參考圖總體設計

吳文華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安710043)

摘要：結合客貨共線鐵路簡支T梁圓端形空心墩參考圖的設計,對設計空心墩的總體性要素、構造尺寸的確定進行詳細分析,總結空心墩設計時需計算的項目及計算的原則。采用合理設計方案和結構尺寸,可以獲得橋墩合適的剛度,節省墩身和基礎材料,簡化施工,提高模板的利用率,達到降低工程造價的目的。

關鍵詞：鐵路橋；空心橋墩；總體設計；結構設計；模板倒用率；計算原則

1概述

山區鐵路受地形、鐵路坡度和線路平面條件的限制，需修建大量的高橋。橋墩的高度較大時，受剛度條件控制，墩身尺寸很大，采用實體墩時混凝土數量很多，基礎受力也大，已很不適應?？招亩站哂袆偠却?、自重輕、節省材料、減小基礎受力的優點，是橋梁高墩的主要形式之一，特別是高度大于30 m時，優勢更為明顯。隨著施工技術的發展，也促進了空心墩的推廣[1]。

采用標準化設計的通用參考圖是鐵路工程常用設計方法，能簡化設計和施工，有利于保證工程質量，減輕設計工作量。結合客貨共線鐵路圓端形空心墩參考圖的設計，對設計空心墩的總體性要素、構造尺寸的確定、計算的項目及計算原則進行詳細分析。

2適用范圍

(1)設計速度：旅客列車設計行車速度160、200 km/h；貨車設計速度不大于120 km/h(轉8A貨車設計速度不大于80 km/h)；困難條件下曲線半徑與相應的設計速度匹配。

(2)直、曲線，曲線半徑R≥800 m。

(3)設計跨度及配套梁圖

設計跨度采用32 m+32 m、32 m+24 m。由于采用空心橋墩的橋梁，線路走行位置相對較高，橋梁高度相對較高，從跨度高度適配性、經濟性等方面考慮，主要以32 m跨度設計為主，24 m跨度調整。

配套梁圖采用部頒通橋(2012)2101、通橋(2012)2201、通橋(2012)2109、通橋(2012)2209。

(4)支座類型：采用滿足《通橋(2007)8160》的支座。

(5)環境類別及作用等級：T2環境。

(6)設計使用年限：正常使用條件下橋墩結構設計使用壽命為100年。

(7)橋墩設計高度25～50 m；大于50 m的橋墩相對較少，采用標準設計的意義不大。由于空心橋墩施工采用內外模板，施工難度相對較大，墩高低于25 m時實體橋墩與空心橋墩圬工量相差不是很大，采用施工相對簡單的實體橋墩。

(8)地震動峰值加速度按Ag=0.05g、Ag=0.1～0.15g、Ag=0.20g三級抗震設計，對應地震動反應譜特征周期分別按Tg=0.35 s、Tg=0.45 s、Tg=0.55 s考慮。

3結構設計

橋墩結構的尺寸主要有墩頂縱橫向尺寸、墩身外坡、墩身內坡、墩頂壁厚、墩頂實體段厚、墩底實體段厚、墩頂過渡段倒角尺寸、墩底過渡段倒角尺寸及頂帽縱橫向尺寸。

頂帽縱橫向尺寸是適用的最小曲線半徑、支座尺寸及適用的最大線間距等因素控制，支承墊石邊緣距頂帽邊緣的最小距離應滿足規范的規定，橋墩檢查設備等附屬工程的設置也會有所不同，設計時應綜合考慮各因素后確定[2]。

墩頂實體段厚、墩底實體段厚、墩頂過渡段倒角尺寸及墩底過渡段倒角尺寸是空心墩受力過渡的需要，根據經驗，空心墩墩頂實體段一般采用3～5 m。由于實體段的混凝土量較大，為節省混凝土，厚度滿足受力要求即可。墩頂實體段暫定為3 m，墩底實體段暫定為2 m，后期通過實體單元分析決定。[3]

墩頂縱橫向尺寸、墩身外坡、墩身內坡及墩頂壁厚影響墩身剛度和材料用量，且各尺寸間相互影響。尺寸設計合理時能節省材料的用量，節約施工費用，降低工程造價。

3.1　墩頂壁厚的擬定

對于鋼筋混凝土空心墩，壁厚不宜小于30 cm，對于混凝土空心墩，壁厚不宜小于50 cm。壁厚較薄時，混凝土數量較少，但鋼筋用量多，且增加施工難度。

局部穩定一般通過增加壁厚來保證，目前一般均不設置橫隔板。理論分析和模型試驗中，尚未能確定隔板對穩定和強度的明顯作用，且設置隔板對施工妨礙較大。從局部穩定試驗分析得出，圓形墩的壁厚t≥(1/10～1/15)R和矩形墩的壁厚t≥(1/10～1/15)b時，一般空心墩均可不設置隔板(其中R為圓形截面內外半徑之中值，b為矩形截面板寬)。[1]

綜上所述，墩頂壁厚暫定為50 cm。

3.2　墩頂尺寸、墩身坡度的擬定

(1)墩頂尺寸、墩身坡度及墩壁厚度對橋墩混凝土用量和縱向剛度的影響

合理的墩頂尺寸、墩身坡度可以節省材料，由表1可知，增加縱向剛度的有效辦法依次為墩頂縱向尺寸→墩身外坡→墩頂橫向尺寸→墩身內坡→壁厚，目前高墩尺寸主要是受剛度要求控制，為節省材料，最有效的方法是增加墩身縱向尺寸。

表1　尺寸變化時混凝土用量和縱向剛度的變化

(2)墩頂尺寸、墩身坡度的擬定

設計空心墩時，由于不同墩高需要的墩身剛度不同，傳統的做法是按墩身高度分級采用不同的墩頂尺寸、墩身坡度、壁厚等做法，現橋墩施工基本采用整體鋼模板，設計時應考慮方便施工及減少模板制作。設計采用了3種方案進行比較，以雙線橋墩為例說明各方案的情況。

方案1：外坡一致，內坡按照墩高25 m≤H<40 m、40 m≤H≤50 m分二級設計。尺寸詳見表2。

方案2：按墩高25 m≤H<30 m、30 m≤H<40 m、40 m≤H≤50 m分三級設計，采用不同墩身內坡和外坡。尺寸詳見表3。

表2　方案1墩身尺寸、剛度、數量

方案3：按墩高25 m≤H<30 m、30 m≤H<35 m、35 m≤H<40 m、40 m≤H<45 m、45 m≤H≤50 m分5級設計，內坡和外坡一致，僅墩頂尺寸不同。尺寸詳見表4。

表3　方案2墩身尺寸、剛度、數量

表4　方案3墩身尺寸、剛度、數量

各方案模板倒用的情況如下：方案2模板倒用率最低，僅能在同一墩高范圍內倒用模板。方案1模板倒用率最高，方案3模板倒用率較高，方案1、方案3模板倒用關系見圖1。

圖1　外模板倒用關系(單位：cm)

縱向線剛度限值、縱向位移限值和橫向位移限值控制橋墩剛度的選取，雙線橋墩主要是縱向剛度要求控制，但單線橋墩的橫向位移也是控制墩身剛度的條件，合理的橋墩剛度能減小基礎的工程量?？招母叨湛拐鹦阅芰己肹4]，由于空心高墩自振周期一般均大于場地特征周期，所以在滿足縱向線剛度、縱向位移限值和橫向位移限值要求的情況下，剛度越小，自重越小，地震作用越小，受力更合理，特別是對于墩高大于40 m的B類橋梁，由于多遇地震作用下重要性系數為1.5，地震作用減小越明顯。[5]

以雙線橋墩為例各方案對墩身剛度進行校核，基礎配置示意詳見圖2、圖3。方案1基礎配置情況見表5。方案2基礎配置情況見表6。方案3基礎配置情況見表7。

圖2　剛度要求的基頂平面(一)

圖3　剛度要求的基頂平面(二)

表5　方案1基礎配置

注：表中基礎剛度未考慮承臺抗力，樁頂土地基比例系數m采用8 000 kPa/m2，自由樁長按1.5 m計算。承臺均采用2.5 m厚，但50 m墩高的承臺不滿足剛性角要求，采用3 m厚。

表6　方案2基礎配置

注：表中基礎剛度未考慮承臺抗力，樁頂土地基比例系數m采用8 000 kPa/m2，自由樁長按1.5 m計算。承臺均采用2.5 m厚。

表7　方案2基礎配置

注：表中基礎剛度未考慮承臺抗力，樁頂土地基比例系數m采用8 000 kPa/m2，自由樁長按1.5 m計算。承臺均采用2.5 m厚。

3種方案比較：方案1優點是外坡一致，內坡變化不多，模板倒用率高，節省施工費用；缺點是高墩時剛度偏小，材料用量大，低墩的剛度偏大，且由于尺寸較大，基礎設計時受尺寸控制，并不節省材料。方案2優點是高墩時橋墩剛度大，橋墩較高時材料用量較??；缺點是低墩時剛度偏大，材料用量大，且由于尺寸較大，基礎設計時受尺寸控制，基礎并不節省材料，另外由于墩身外坡和內坡分級變化，模板倒用少，施工費用高。方案3優點是高墩和低墩時剛度均合適，所有高度的橋墩材料用量小，節省造價；外坡、內坡不變化，外模板較方案1略多一些，內模板的通用性較方案1好。技術經濟性比較結果見表8。

綜上所述，墩高按25 m≤H<30 m、30 m≤H<35 m、35 m≤H<40 m、40 m≤H<45 m、45 m≤H≤50 m分5級設計：內坡和外坡一致，僅墩頂尺寸不同，方案3優勢非常明顯。

表8　3個方案技術經濟比較

由于墩身剛度要求導致截面尺寸較大，根據局部穩定要求，采用壁厚0.5 m也比較合適。

4空心墩計算原則

(1)常規力檢算

按照《鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范》(TB10002.4—2005)和《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)進行常規荷載、斷軌力作用下的墩身強度檢算。

常規力包括恒載、活載、離心力、搖擺力、無縫線路長鋼軌縱向水平力、制動力或牽引力、溫度荷載、風荷載，按規范進行組合后檢算橋墩強度、剛度、穩定性。[6]

(2)墩身整體縱向穩定性

按照《鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范》(TB10002.4—2005)第5.1.2條，對橋墩的整體縱向穩定性進行檢算。

(3)空心橋墩墩身局部穩定

局部穩定由結構尺寸控制。根據鐵路設計技術手冊《橋梁墩臺》，最小壁厚t滿足下式：t≥(0.1～0.067)R(R為墩身半徑)或t≥(0.1～0.067)b(b為墩身寬度)時，可不檢算墩身局部穩定性，設計的尺寸均滿足該條件，不再檢算局部穩定。

(4)空心橋墩固端干擾應力計算

根據鐵基字(75)953號文規定，高度在50 m以內的空心墩，按懸臂理論計算的截面應力增大50%的辦法計算局部應力，并采用空間實體模型對頂帽及上下空實交接截面的受力進行計算分析驗證。同時對墩頂、底實體段進行了有限元分析，根據計算結果配置頂帽、托盤、空實交界處的配筋。

(5)空心橋墩溫度應力計算

空心墩由于墩內通風不良，且混凝土本身導熱性能低，故當墩周氣溫發生驟變時，墩壁內外產生較大溫差，溫差沿墩壁厚度分布是非線性的，而截面變形服從平截面假定，于是截面溫度變形受到約束而產生內約束溫度應力。溫度應力應分別按氣溫升溫、太陽輻射升溫和寒潮降溫進行計算。根據計算結果檢算橋墩豎向鋼筋和箍筋[7-8]。

對于高大橋墩受溫度荷載作用下，有砟無縫線路的受力和變形已經做了大量研究[9-13]，研究結果是高墩大跨橋梁可不考慮橋墩溫度變形對線路受力的影響，設計僅考慮溫度變化對橋墩自身的受力影響。

(6)空心橋墩自振周期

空心橋墩的縱、橫向基階自振周期

T1<0.25H0.5

式中T1——橋墩縱、橫向基階自振周期；

H——橋墩墩頂至基礎頂面的高度。

(7)地震作用檢算

按照《鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范》(TB10002.4—2005)[14]、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)[15]和《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)[16]進行常規荷載、斷軌力及多遇地震作用下的墩身強度檢算，檢算時對配套梁圖和跨度均進行計算。

設計通用圖時應考慮適應范圍應盡可能包括經常遇到的情況，明挖基礎一般用于地質條件較好的場地上，所以檢算時按地震動反應譜特征周期Tg=0.35 s，基礎按墩底固結考慮；樁基礎按地震動反應譜特征周期Tg=0.45 s和0.55 s分別進行計算；計算時樁基假定按縱向線剛度為600 kN/cm、橫向剛度應滿足墩頂的位移要求，根據計算結果配置豎向鋼筋。

(8)延性分析

對罕遇地震作用下進行延性分析，采用Xtract軟件計算墩底截面的屈服曲率、屈服彎矩及極限曲率，得到橋墩有效截面抗彎慣性矩。[17]在Midas軟件中建立橋墩模型，對截面的慣性矩進行調整，輸入相應的罕遇地震反應譜，對結構進行分析，得到橋墩的最大位移，檢算豎向鋼筋和箍筋的配置。

在計算前先采用了Seismostruct軟件建立橋墩纖維單元模型，進行時程反應分析，得到橋墩的最大位移的方法對設計采用的方法進行了驗證。

5結論

空心墩具有剛度大、自重輕、節省材料、減小基礎受力的優點，經過系統的分析鐵路空心墩的各尺寸要素對結構的影響，主要研究結論如下。

(1)空心墩增加縱向剛度的有效辦法依次為墩頂縱向尺寸→墩身外坡→墩頂橫向尺寸→墩身內坡→壁厚。

(2)目前高墩尺寸主要是受剛度要求控制，為節省材料，最有效的方法是增加墩身縱向尺寸。

(3)為節省模板墩身坡度宜減少種類。

(4)綜合考慮各高度橋墩剛度的要求，可采用改變墩頂縱向尺寸，但采用相同的墩身外坡和內坡，在適當增加外模的情況下，達到各種高度橋墩均獲得合理剛度的要求；且內坡一致后，內模也相應獲得簡化。

設計中創新地采用統一的內坡和外坡、分級采用不同的墩頂尺寸的設計思路設計了客貨共線鐵路簡支T梁圓端形空心墩參考圖，該套設計圖具有節省材料和施工模板、造價低的優點。隨著社會經濟和鐵路建設的快速發展，該空心墩將廣泛應用于客貨共線鐵路橋梁中，將產生顯著的經濟效益。

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General Design of Round-ended Hollow Pier Reference Plot for Mixed Passenger and Freight RailwayWU Wen-hua

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Based on the reference plot design of simple-supported T-shaped girder round-ended hollow pier for mixed passenger and freight railway, this paper analyzes the general elements and the determination of structure size, and summarizes the items that should be calculated and calculation principles. The results show that appropriate stiffness can be acquired with proper design scheme and structure size to save materials for pier and foundation, simplify construction organization, improve formwork utilization and reduce project cost.

Key words：Railway bridge; Hollow pier; General design; Structure design, Formwork utilization; Calculation principle

中圖分類號：

文獻標識碼：

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.014

文章編號：1004-2954(2016)02-0066-05

作者簡介：吳文華(1976—)，男，高級工程師，2000年畢業于石家莊鐵道學院交通土建工程專業，工學學士，E-mail:qswwh@fsdi.com.cn。

收稿日期：2015-09-09； 修回日期：2015-11-10