高速鐵路(60+100+60)m連續梁橋墩設計

任　逵　鄒永偉　石魯寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

?

高速鐵路(60+100+60)m連續梁橋墩設計

任逵鄒永偉石魯寧

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要介紹高速鐵路(60+100+60) m連續梁橋墩通用圖的設計與計算。

關鍵詞高速鐵路連續梁橋墩設計通用圖

目前，我國高速鐵路運營里程超過1.9萬km，位居世界第一。其中橋梁所占比例大，當跨越高等級公路、鐵路、繁忙干道，常用跨度簡支梁無法滿足跨越條件要求時，應首先考慮預應力混凝土大跨連續梁。連續梁占橋梁的比重也越來越大。簡支梁橋墩已編制通用圖，常用跨度的連續梁橋墩通用圖的編制勢在必行。受鐵科院委托，對高速鐵路(60+100+60) m連續梁橋墩通用圖進行設計計算。

1主要技術標準及適用范圍

設計速度：350 km/h。

線路情況：雙線，直、曲線，線間距5.0 m，最小曲線半徑5 500 m。

軌道結構形式：無砟軌道。

設計跨度及配合的梁圖：(60+100+60) m連續梁，配跨32 m簡支梁(如表1)。

表1　配套梁參數

支座類型：符合“通橋(2007)8360”、“TJQZ-通橋8361”支座安裝尺寸的盆式橡膠支座、球形鋼支座。

環境類別及作用等級：一般大氣條件下，環境類別為碳化環境，環境作用等級為T2。

設計使用年限：正常使用條件下，橋墩結構設計使用年限為100年。

按橋墩位于無縫線路固定區設計。

橋墩外形和設計墩高范圍：墩身外輪廓采用圓端形截面。為了簡化類型，方便使用，固定中墩和活動中墩的墩身尺寸相同。對于有聲屏障、無聲屏障等各種工況組合的梁部荷載，本圖設計采用相適應的設計條件。

橋墩設計高度：墩全高4～20 m。

本圖設計地震動峰值加速度Ag≤0.15 g，地震動反應譜特征周期Tg≤0.55 s。

2設計荷載

2.1恒載

包括梁重和二期恒載。由于目前橋上無砟軌道結構有多種類型，本次設計二期恒載按梁部計算數值包絡計算，二期恒載為100～180 kN/m。

恒載不考慮靜水壓力和浮力。

2.2活載

活載包括列車豎向靜活載和動力作用、離心力、搖擺力。

(1)列車豎向活載采用ZK荷載，雙線荷載作用時按兩線列車活載總和100%計，不折減。

連續梁中墩：分固定墩和活動墩，按照最不利荷載進行組合，分別考慮重載、輕載、空車和無車。

連續梁邊墩：分別考慮單雙線行車(雙孔重載、簡支梁側重載+連續梁側輕載、連續梁側單孔重載、雙孔輕載、連續梁側單孔輕載)、空車和雙孔無車。

(2)支承墊石檢算考慮列車活載豎向動力作用，動力系數按《高速鐵路設計規范》第7.2.7條計算。

(3)曲線離心力、搖擺力

列車搖擺力和位于曲線上的離心力，按《高速鐵路設計規范》第7.2.11計算。

2.3附加力

附加力按《規范》取值，主要考慮制動力或牽引力、風力、支座摩阻力；不計流水壓力、冰壓力、凍脹力及溫度力。

(1)制動力或牽引力

雙線橋采用一線的制動力或牽引力。制動力或牽引力作用在橋墩支座中心，不考慮作用點移動所產生的力矩。

固定中墩：按活載加載圖示計算制動力；

活動中墩：不計制動力；

邊墩：僅考慮32 m簡支梁側活載制動力。

(2)風荷載強度W

設計采用：有車時，W=1 250 Pa；無車時，W=2 250 Pa。風荷載計算時考慮設置聲屏障，聲屏障高度按高出梁頂3.0 m計。

(3)支座摩阻力

橋墩設計考慮預應力混凝土連續梁因溫度變化引起伸長或縮短，活動支座處產生摩阻力，取靜摩阻系數0.05，支座摩阻力按附加力考慮，不與制動力同時組合。

固定墩：按上部結構反力乘以支座靜摩阻系數計算；

活動墩：按上部結構反力乘以支座靜摩阻系數計算；

邊墩：按連續梁側反力乘以支座靜摩阻系數計算。

2.4無縫線路作用于墩頂的縱向水平力

無縫線路作用于墩頂的縱向水平力包括伸縮力、撓曲力、斷軌力，根據《鐵路無縫線路設計規范》(TB10015—2012)相關規定，按梁軌共同作用計算。鋼軌伸縮力參考鐵道科學研究院《客運專線鐵路橋梁墩臺縱向線剛度參數標準的研究》，(60+100+60) m連續梁鋼軌伸縮力為900 kN/線，32 m簡支梁鋼軌伸縮力為400 kN/線。本圖設計采用的軌道力見表2。

表2　無縫線路軌道力取值(每軌)

2.5特殊荷載

(1)施工荷載

本設計考慮運梁車過梁及架橋機架設相鄰跨簡支梁，荷載圖示如圖1。

圖1　運架梁荷載圖示(單位：m)

懸臂澆筑過程中，中支點承受的最大不平衡彎矩為68 636 kN·m，相應豎向反力為55 783 kN。

施工過程中，如荷載有變化，應根據具體施工荷載進行檢算。

(2)地震力

按《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)(2009版)規定計算。

單墩桿單元模型計算地震力，墩身簡化為多個質點，彈簧約束模擬基礎。計算順橋向地震力時，將整聯連續梁恒載換算為質點作用于固定墩墩頂；計算橫向水平地震力時，考慮各墩共同分擔地震力，并計入單線活載反力。地震力組合按“震規”第7.1.4條規定辦理，不計無縫線路鋼軌縱向力。

2.6橋墩縱向水平力分配原則

(1)固定墩承受所有的縱向水平力，包括全聯梁的制動力、鋼軌縱向水平力、縱向地震力以及支座摩阻力。制動力和支座摩阻力不同時組合；縱向地震力與制動力、鋼軌縱向水平力以及支座摩阻力也不同時組合。

(2)活動中墩墩頂縱向水平力按支座摩阻力計。

(3)邊墩墩頂縱向水平力除了計入連續梁側支座摩阻力，還需計入簡支梁側制動力、長鋼軌縱向水平力及簡支梁側縱向地震力。縱向地震力與制動力、鋼軌縱向水平力以及支座摩阻力不同時組合。

(4)支座靜摩阻系數取0.05。

3設計控制指標

實體墩墩身按混凝土偏心受壓構件計算。

墩身截面合力偏心矩e、墩身截面強度、整體穩定性滿足《鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范》要求。

主+震工況，如果偏心超標，檢算混凝土和鋼筋應力。

(1)墩頂縱向水平線剛度

固定中墩墩頂最小縱向水平線剛度3 200 kN/cm(含基礎)，邊墩墩頂最小縱向水平線剛度按配跨32 m簡支梁控制，不小于350 kN/cm(含基礎)。

《中國高速鐵路橋梁》總結了我國高速鐵路橋梁的設計、建造經驗和成果，對高速鐵路橋墩剛度分配進行了詳細的計算比較，研究對象為墩高16 m以內的橋墩。研究結論為，“按單位力墩身位移占單位力總位移的40%擬定尺寸比較合理，建議墩身尺寸按此比例考慮”，即墩身與基礎的剛度比為60∶40。

固定中墩墩頂最小縱向水平線剛度8 000 kN/cm(不含基礎)，邊墩墩頂最小縱向水平線剛度900 kN/cm(不含基礎)。

(2)墩頂彈性水平位移

L—橋梁跨度，當L<24 m時，L按24 m計；當為不等跨時，采用相鄰跨中較小跨的跨度。

Δ—橋墩頂帽彈性水平位移。

橫橋向，墩頂橫橋向水平位移引起的橋面處梁端水平折角不大于1‰

墩頂縱向位移限值如表3所示。

表3　墩頂縱向位移限值(含基礎)

4設計方案

中墩分三檔設計：

4 m≤H≤10 m，墩身尺寸9.2 m×4.2 m，頂帽尺寸10.6 m×4.2 m；

11 m≤H≤15 m，墩身尺寸9.2 m×4.6 m，頂帽尺寸10.6 m×4.6 m；

16 m≤H≤20 m，墩身尺寸9.2 m×5.0 m，頂帽尺寸10.6 m×5.0 m。

邊墩分三檔設計：

4 m≤H≤10 m，墩身尺寸8.0 m×3.2 m，頂帽尺寸9.4 m×3.6 m；

11 m≤H≤15 m，墩身尺寸8.0 m×3.6 m，頂帽尺寸9.4 m×3.6 m；

16 m≤H≤20 m，墩身尺寸8.0 m×4.0 m，頂帽尺寸9.4 m×4.0 m。

5墩身計算

5.1橋墩常規計算

剛度及位移計算見表4。

偏心及穩定性檢算見表5。

中墩、邊墩在各工況下偏心、壓應力、縱橫向穩定性均滿足規范要求。

5.2橋墩抗震計算

(1)檢算范圍

根據專家審查意見，本設計考慮抗震設防烈度為：6度及以下地區(Ag≤0.05 g)、7度地區(Ag=0.1 g)、7度地區(Ag=0.15 g)。

表4　剛度及位移計算結果

表5　偏心及穩定性計算結果(不含基礎)

(2)地震力計算方法

根據《鐵路工程抗震設計規范(2009年版)》(GB50111—2006)，抗震檢算采用反應譜理論進行計算。

在橋墩地震力分析時，當地震動反應譜特征周期Tg=0.25 s、Tg=0.35 s時，采用明挖基礎，按墩底固結情況分析；當地震動反應譜特征周期Tg=0.45 s、Tg=0.55 s時，采用樁基礎，按墩底彈性約束考慮。

Ⅱ類場地(Tg=0.45 s)：樁側土m值取20 000 kPa/m2，樁底土m0值取80 000 kPa/m2；Ⅲ類場地(Tg=0.55 s)：樁側土m值取10 000 kPa/m2，樁底土m0值取20 000 kPa/m2。

中墩墩高4≤H≤15 m采用11-2.0 m樁基；中墩墩高16≤H≤20 m采用12-2.0 m樁基；邊墩墩高4≤H≤15 m采用11-1.25 m樁基；中墩墩高16≤H≤20 m采用12-1.25 m樁基。

(3)地震力計算結果

根據計算結果，6度區，主+縱向地震力、主+橫向地震力工況，中墩、邊墩截面偏心均滿足要求；7度0.10 g、7度0.15 g，主+橫向地震力工況，中墩、邊墩截面偏心滿足要求，主+縱向地震力工況，中墩、邊墩部分截面偏心超標，需驗算混凝土和鋼筋應力。

(4)橋墩應力驗算

多遇地震作用下，主+縱向地震力工況，部分橋墩截面偏心超標，對混凝土和鋼筋應力進行驗算，確定橋墩豎向主筋配置。

墩身拉筋最小凈保護層35 mm。中墩構造配筋豎向主筋采用直徑20 mm，間距12.5 cm；邊墩構造配筋豎向主筋采用直徑16 mm，間距12.5 cm。當計算需要采用雙肢一束配筋時，采用按照計算結果單根截斷的方式配筋，采用的截斷高度按照計算結果預留2 m富余長度，墩高10 m以下不再截斷鋼筋。

中墩：

中墩墩身豎向主筋采用HRB400，鋼筋直徑根據地震檢算確定，間距10～15 cm。地震力不控制時，主筋直徑采用20 mm，主筋伸入基礎1.5 m。

墩身箍筋采用HRB400，6度、7度區(0.1 g)鋼筋直徑12 mm，7度區(0.15 g)鋼筋直徑16 mm。箍筋間距15 cm，墩底加密為10 cm，加強區高度為截面高度；墩高10 m以下，箍筋間距均為10 cm。

墩身橫向拉筋采用HRB400，鋼筋直徑12 mm。

邊墩：

邊墩墩身豎向主筋采用HRB400，鋼筋直徑根據地震檢算確定，間距10～15 cm。地震力不控制時，主筋直徑采用16 mm，主筋伸入基礎1.5 m。

墩身箍筋采用HRB400，6度、7度區(0.1 g)鋼筋直徑12 mm，7度區(0.15 g)鋼筋直徑16 mm。箍筋間距15 cm，墩底加密為10 cm，加強區高度為截面高度；墩高10 m以下，箍筋間距均為10 cm。

墩身橫向拉筋采用HRB400，鋼筋直徑12 mm。

6頂帽計算

分別建立中墩和邊墩實體有限元模型，進行受力分析，墩高H=10 m。橋墩混凝土強度等級為C35，支座墊石為C50，

(1)中墩

中墩主拉應力如圖2所示，中墩頂面中心出現3.4 MPa拉應力，該位置橫向拉應力較大。

圖2　中墩主拉應力

中墩主壓應力如圖3所示，墊石底面與墩頂交接位置處主壓應力約18.5 MPa，中墩承壓安全。

圖3　中墩主壓應力

(2)邊墩

邊墩主拉應力如圖4所示，邊墩邊跨側橋墩中間位置主拉應力約2 MPa，邊墩主跨側中間位置主拉應力約1 MPa。

圖4　邊墩主拉應力

邊墩主壓應力如圖5所示，墊石底面與邊墩交接位置處主壓應力最大約-6 MPa，邊墩承壓安全。

圖5　邊墩主壓應力

7結束語

對高速鐵路(60+100+60) m連續梁橋墩的設計進行介紹，對于適用范圍內的橋墩，可以推廣到現在高速鐵路橋梁的設計和施工中，避免大量的重復計算工作，節省施工模板，優化施工工序。

參考文獻

[1]TB10621—2014高速鐵路設計規范[S]

[2]TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

[3]TB10002.4—2005鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范[S]

[4]TB 10015—2012鐵路無縫線路設計規范[S]

[5]GB50111—2006鐵路工程抗震設計規范(2009年版)[S]

[6]CJJ 166—2011城市橋梁抗震設計規范[S]

[7]鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008

[8]鐵道部.鐵路工程設計技術手冊：橋梁墩臺[M].北京：中國鐵道出版社，2007

[9]余興勝，文望青.連續梁橋墩設計繪圖系統開發研究[J].鐵道標準設計，2011(2)

[10]賈允祥.鄭焦城際跨濟東高速特大橋(40+64+40) m連續梁橋墩設計[J].鐵道標準設計，2011(8)

[11]高策.城際鐵路雙線圓端形實體橋墩設計研究[J].鐵道勘察，2013(2)

收稿日期：2016-03-22

第一作者簡介：任逵(1983—)，男，2005年畢業于西南交通大學土木工程專業，工學學士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0114-05

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：B

Design on High Speed Railway(60+100+60)m Continuous Beam Pier

REN KuiZHOU YongweiSHI Luning