商杭客運專線系桿拱橋墩設計

錢　光

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

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商杭客運專線系桿拱橋墩設計

錢光

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063)

摘要以商杭客運專線西苕溪特大橋主橋橋墩設計為例，對T形墩尺寸的擬定進行具體說明，給出采用先拱后梁施工方法施工T形橋墩的設計思路和設計方法。通過對施工階段及成橋運營階段外力作用下橋墩受力情況的計算分析，對橋墩的強度、剛度、穩定性、墩身偏心等進行詳細檢算。

關鍵詞商杭鐵路系桿拱T形墩先拱后梁

1橋址概況

商杭客運專線西苕溪特大橋位于浙江省湖州市吳興區境內，本橋在DK707+116.58處與西苕溪左線特大橋采用雙線共墩設計，在DK707+116.58以后為單線繞行地段，基礎和橋墩分開設計，為單線橋，橋址于YDK710+153.4～YDK710+281處跨越長興港。長興港為重要通航河流，Ⅲ級航道，河道與線路大里程夾角為49°。要求通航凈高7 m，凈寬90 m，設計采用主跨140 m系桿拱一跨跨越長興港方案。因航道管理部門要求施工期間需確保航道正常運行，無法采用滿堂支架先梁后拱的常規施工方法。經研究，采用先拱后梁的施工方案，以滿足通航要求。

橋址范圍內地質情況主要為粉土、粉質黏土、粗角礫土、強風化凝灰巖，地基承載力為100～500 kPa。橋址范圍內地震動峰值加速度為0.05g，相當于地震基本烈度6度，地震動反應譜特征周期為0.35 s，工程抗震設防類別為B類，抗震設防烈度為6度。主橋平立面如圖1、圖2所示。

圖1　西苕溪右線特大橋主橋平面(單位：cm)

圖2　西苕溪右線特大橋主橋立面(單位：cm)

2技術標準

設計速度：160 km/h。

線路情況：無砟軌道，單線。

線路平面：主橋位于曲線半徑1 200 m的圓曲線上。

設計活載：ZK活載。

通航等級：Ⅲ級。

3橋墩設計

3.1尺寸確定

本橋主跨主要為跨越三級航道長興港而設，系桿拱采用先拱后梁施工方法進行施工。施工階段將產生較大的縱向水平力，且主橋橋墩高20 m，必然對墩身及基礎產生較大的縱向彎矩，同時豎向力較小，橋墩截面可能成為大偏心受壓構件，產生較大的拉應力。系桿拱梁的支座橫向間距較簡支梁大，為節約工程材料，橋墩采用橫向對稱的矩形實體墩。

系桿拱主梁梁端單側最小伸縮縫要求為20 cm，簡支梁單側最小伸縮縫要求為5 cm，主橋位于曲線半徑1 200 m的圓曲線上，通過對預制的簡支梁梁端現澆部分橋面板來解決因曲線半徑帶來的兩梁端間距過大的問題。簡支梁、系桿拱梁端橫向支座中心連線均與線路形成一定交角，橋墩尺寸擬定時必須在平面圖上根據實際情況計算交角及橫向偏距帶來的影響。在平面圖上按實際需要布置兩側梁的支承墊石，以此來確定滿足規范相關構造要求的橋墩尺寸。

由于支座與橋墩的相對位置固定，橋墩兩側簡支梁與系桿拱產生的豎向力相差較大，在恒載作用下，墩身將承受一定的彎矩。另外，在基礎位置布置時，通過控制承臺中心與橋墩質心的距離，避免基礎在恒載狀態下承受彎矩，使樁基設計更為經濟合理。

綜上所述，結合梁端影響、橋墩構造要求、設計安全、經濟性等要求，確定簡支梁側墩頂截面尺寸為1.8 m×7 m，系桿拱側墩頂截面尺寸為3.3 m×14 m，墩身豎向為直坡，簡支梁側橋墩設置0.2 m超高。橋墩結構如圖3所示。

圖3　主橋橋墩結構示意(單位：cm)

3.2施工階段受力計算

施工階段產生的水平推力可能使橋墩截面處于大偏心受壓狀態，這對結構極為不利。必須對施工階段橋墩受力進行詳細檢算，確保按構造要求擬定的橋墩結構尺寸滿足要求，以免后續設計引起橋墩尺寸的修改，影響設計過程。

本次設計通過橋梁博士計算軟件建立主橋計算模型，對其各個施工階段進行詳細模擬計算。橋墩承受的主要施工階段墩頂豎向力及水平推力見表1。

在主梁施工過程中，橋墩各截面主要承受施工荷載及其自重，為偏心受壓構件。經計算，在各施工階段產生的最大壓應力為4.99 MPa，最大偏心矩e/S=0.53<0.7。結果表明，墩身處于小偏心受壓狀態，橋墩全截面受壓，受力狀況較好。說明擬定的橋墩結構尺寸能夠滿足施工階段的受力要求。

3.3運營階段受力計算

(1)設計荷載

本橋位于曲線上，墩頂外力主要有主力(列車活載、鋼軌縱向伸縮力和撓曲力、橫向搖擺力)、附加力(制動力、風力)、特殊荷載(列車脫軌荷載、船舶撞擊力、地震力、鋼軌斷軌力)。

表1　主要施工階段墩頂外力

注：墩頂水平推力方向正號表示背離主跨方向，負號表示指向主跨方向。

對于活載，按照簡支梁橋墩最不利加載方式加載：單線加載，又分一孔重載、雙孔重載、一孔輕載、雙孔輕載、雙孔空車、橋上無車。由于橋墩兩側為不等跨梁，還需分大小跨方向加載。最不利活載加載圖示見圖4。

圖4　活載加載圖示

制動力采用豎向凈活載的10%，橫向搖擺力，取值100 kN，作用于軌面。風壓強度偏安全的取值為：有車時取1.25 MPa，無車時取2.25 MPa。伸縮力、斷軌力數值通過建立軌道、橋梁有限元模型計算獲得。地震力按單墩力學模型簡化計算。

(2)荷載組合

按單線行車、橋上無車2種類型進行組合，每一類型中的荷載組合僅考慮縱向或橫向一個方向上的附加荷載。地震力與單線行車活載組合，墩身護面鋼筋根據地震力荷載工況確定。

(3)墩身檢算結果

根據高速鐵路設計規范相關要求，對橋墩強度、墩頂位移、偏心、縱向穩定性進行檢算，最不利結果見表2。

表2　橋墩檢算結果

在成橋運營階段，主橋橋墩各截面在不同荷載組合作用下，其各項指標均能滿足規范要求。

4結論

(1)采用先拱后梁法無支架施工方法，滿足了對通航河道不斷航或少斷航的要求，具有很大的社會效益。

(2)系桿拱橋采用先拱后梁施工方法進行施工時，施工過程中將產生較大的水平推力，對橋墩會產生不利影響，需要采取一定的施工臨時措施來減小水平推力，同時對墩身進行具體檢算，使其滿足相關規范要求。

(3)墩身尺寸擬定時，首先要考慮曲線半徑對墩頂支座布置的影響，再根據相關構造及受力要求進行確定。同時應考慮施工方便性，對相似尺寸的橋墩進行合并設計，減少橋墩類型，以減少施工模板種類。

(4)橋墩應與基礎綜合考慮，一般應使上部結構恒載及墩身自重對基礎中心產生的彎矩為零，使基礎以上構件恒載對基礎只產生豎向力。

參考文獻

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收稿日期：2016-02-18

作者簡介：錢光(1984—)，男，2009年畢業于西南交通大學橋梁工程專業，工學碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0108-03

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：B

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