既有鐵路病害路基改橋梁設計

鄒　蕾

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京　102600)

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既有鐵路病害路基改橋梁設計

鄒蕾

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600)

某高填路基出現裂縫、下沉外鼓，存在較大的安全隱患。為保障行車安全，將病害路基改為簡支橋梁，且要滿足在不中斷鐵路運營情況下的施工。采用鋼筋混凝土框架式橋墩，既有路基兩側設樁基礎，用MIDAS空間分析程序與鐵路橋梁軟件HRBD程序對橋墩與基礎進行設計計算。

病害路基改橋梁安全框架墩

1　工程背景

既有鐵路一段路基位于水庫區，為高填路基形式，路基一側為裸露的巖石山體，另一側為臨近水庫的線路護坡，受水庫蓄放水影響，線路路基出現裂縫、下沉外鼓，向水庫側滑移，幾何尺寸難以保持，常出現嚴重晃車。對2007年至2011年觀測數據進行分析對比：年下沉量約4～7 mm(其中8～9月份下沉約4 mm)，累計下沉約35 mm。在水庫蓄放水及強降雨等不利條件影響下病害會加劇發展，極易引起路基大面積滑移、坍塌，危及行車安全。

2　設計概況

為保障鐵路運輸安全，根治病害，將本段路基改為橋梁，上部結構采用(1-16+1-24+1-16) m后張法預應力混凝土簡支T梁。為滿足不間斷鐵路運營及施工要求，下部基礎1、2號橋墩設計為鋼筋混凝土框架式橋墩，橫梁尺寸為10.6 m×3.2 m×2.0 m，為布置樁基需要，兩端2.6 m范圍內加寬至5.8 m(稱作承臺)，每墩設4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁，每端2根，布置在既有路基兩側。兩橋臺采用T形橋臺，下接框架式橫梁，設4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎。

3　下部基礎設計

3.1地質狀況

地勘揭露，場地內自上而下為素填土(路基填料)、粗砂、礫巖。地下水位受水庫的影響，變化較大。根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB18306—2001)，橋址區地震動峰值加速度0.15g，相當于地震基本烈度7度，地震動反應譜特征周期分區為二區，場地土為中軟土和基巖，為Ⅱ類場地。最大凍結深度為0.5 m。

3.2設計荷載及組合

(1)恒載(γ取25 kN/m3)

包括上部的梁重及二期恒載：二期恒載重量包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層、混凝土基座等線路設備，以及防水層、保護層、人行道欄桿或聲屏障、遮板、防護墻、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設施重量。恒載合計為2 810 kN。[1]

(2)混凝土收縮徐變

此處計算不考慮混凝土收縮徐變的影響。

(3)列車豎向靜活載

采用中-活載。

(4)沖擊系數計算

式中Lφ——結構的計算跨度/m。

(5)橫向搖擺力：列車橫向搖擺力為活載主力，取100 kN，作為一個集中活載作用于橋梁結構最不利位置，其作用點在垂直線路中線的鋼軌頂面。

(6)制動力或牽引力

按列車豎向靜活載的10%計算。

(7)地震力

按《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)2009年版規定計算[5]。

3.3設計荷載組合

主力：自重+梁重+二期恒載+列車活載+橫向搖擺力

主+附：自重+梁重+二期恒載+列車活載+橫向搖擺力+制動力

3.4材料

(1)混凝土：橫梁及樁基均采用C30混凝土。

(2)普通鋼筋分別采用HPB300(fsk=300 MPa)和HRB400(fsk=40 MPa)鋼筋作為受力鋼筋。

3.5結構計算

采用MIDAS空間分析程序計算內力[11]，用鐵路橋梁軟件HRBD程序[10]進行配筋驗算，以2號墩為例進行各項計算。

(1)構造尺寸

2號墩設計為鋼筋混凝土框架式橋墩，橫梁尺寸為10.6 m×3.2 m×2.0 m，為布置樁基需要，兩端各2.6 m范圍內加寬至5.8 m，布置2根直徑1.5 m鉆孔樁。1號墩只是Lp=16 m側支承墊石高度為54.32 cm，其余尺寸均與2號墩相同(如圖1、圖2所示)。

圖1　2號橋墩立面(單位：cm)

圖2　2號橋墩平面(單位：cm)

(2)計算模型

橫梁及樁基均采用梁單元，共計94個單元，101個節點。根據地質鉆孔資料，靠近山體側樁長15 m，靠近水邊一側樁長25 m。樁基與承臺連接采用剛性連接，樁底固結。樁基與土層之間的作用通過設立橫向和縱向土彈簧來模擬[12]，等代土彈簧的剛度ks=abpmZ，其中，a為土層的厚度，bp為土層的寬度，Z為土層的深度。根據地質資料，上層粉質黃土m值取8 000 kPa/m2，土層厚度18 m，下層礫巖m值取80 000。每1 m設置1個土彈簧支撐，土層厚度為1 m，隨著土層的深度增加，ks增大，各土彈簧對應的ks值如表1、表2所示。

(3)下部結構整體剛度

給模型分別施加順橋向及橫橋向的集中力，計算單位力作用下產生的位移，從而得出順橋向的剛度為4 166.7 kN/cm，橫橋向剛度6 666.7 kN/cm。

表1　樁土彈簧對應的ks值(15 m樁長)

(4)成橋狀態檢算

表2　樁土彈簧對應的ks值(25 m樁長)

橫梁抗彎檢算：給模型施加荷載，分別考慮在單孔重載及雙孔重載兩種最不利情況下，通過MIDAS得出主力和主力+附加力兩種荷載組合情況下的內力，用HRBD程序按矩形實心截面雙向偏心受壓進行配筋計算(鋼筋中心保護層厚7 cm)，結果如圖3、表3～表6所示。

圖3　HRBD程序橫梁配筋檢算參數設置

通過配筋檢算可知，在雙孔重載情況下，主力作用下計算結果最不利，橫梁底配直徑28 mm的鋼筋，間距不大于10 cm布置能滿足要求，但富余值較小，所以為安全考慮，采用直徑30 mm鋼筋，間距10 cm布置；橫梁頂及兩側配直徑16 mm的鋼筋，間距10 cm布置。

表3　單孔重載情況下MIDAS計算橫梁內力結果

表4　單孔重載情況下HRBD程序檢算應力結果　MPa

表5　雙孔重載情況下MIDAS計算橫梁內力結果

表6　雙孔重載情況下HRBD程序檢算應力結果　MPa

橫梁抗剪計算：提取MIDAS計算結果中橫梁與承臺相連位置處的剪力，進行剪應力驗算。

表7　橫梁剪力檢算結果

結論：抗剪最不利截面上中性軸處的剪應力均小于0.73 MPa，說明橫梁只需按構造要求配置箍筋即可。

樁基配筋計算：樁基配筋擬定為直徑20 mm的鋼筋，間距20 cm布置。按圓形截面偏心受壓&偏心受拉構件進行計算。計算結果如圖4及表8～表13所示。

圖4　樁基配筋檢算參數設置

表8　單孔重載情況下MIDAS計算內力結果

表9　單孔重載情況下HRBD程序計算應力結果(主力作用下)

表10　單孔重載情況下HRBD程序計算內力結果(主力+附加力作用下)

表11　雙孔重載情況下MIDAS計算內力結果

表12　雙孔重載情況下HRBD程序計算應力結果(主力作用下)

表13　雙孔重載情況下HRBD程序計算內力結果(主力+附加力作用下)

由計算結果可知，對柱樁配直徑20 mm通長的鋼筋，間距20 cm能滿足要求。為滿足規范規定的最小配筋率(0.5%)要求，對樁基配以直徑20 mm通長鋼筋，間距12.9 cm。

(5)施工移梁過程計算

分別以集中力模擬梁作用在從承臺中間移動到橫梁跨中，如圖5所示，梁分別位于1、2、3、4、5、6、7、8、9九個位置時(即梁分別從水邊側開始移梁和從山體側開始移梁兩種情況均考慮在內)，用MIDAS計算橫梁及樁基內力，用HRBD程序進行配筋驗算。

圖5　以靜荷載模擬移梁過程，假定梁所處的位置

橫梁主筋驗算：通過MIDAS得出恒載分別與梁位于不同位置的荷載組合情況下的內力，從提取內力看，梁位于承臺上時最不利。進行配筋驗算，橫梁底需配直徑20 mm主筋，按間距10 cm布置；底及兩側配直徑16 mm鋼筋，也按10 cm間距布置即可。

表14　橫梁不同位置剪力檢算

由計算結果可知，抗剪最不利截面上中性軸處的剪應力均小于0.73 MPa，說明橫梁只需按構造要求配置箍筋即可。

樁基配筋計算：以上述擬定的樁基配筋(直徑20 mm通長的鋼筋，間距20 cm)進行計算可知，移梁過程中，樁基配筋不控制，擬定的鋼筋布置形式滿足要求。

4　結論

(1)橫梁底鋼筋直徑φ30 mm，間距10 cm布置，頂及兩側鋼筋直徑φ16 mm，間距10 cm布置，凈保護層7 cm；箍筋按構造要求布置。

(2)樁基鋼筋直徑φ20 mm，間距12.9 cm布置，主筋中心至混凝土邊緣9.2 cm。

(3)采用鋼筋混凝土框架式橋墩，在既有路基兩側分設樁基，能滿足在不間斷鐵路運營的情況下，將路基改造為橋梁，避開路基病害，保障鐵路運輸安全。

[1]TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

[2]TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S]

[3]GB50010—2002混凝土結構設計規范[S]

[4]GB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

[5]GB50111—2006鐵路工程抗震設計規范[S]

[6]李喬.混凝土結構設計原理[M].北京：中國鐵道出版社，2004

[7]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001

[8]韓斌.既有線200 km/h提速改造工程路基處理措施[J].鐵道勘察，2006(2)

[9]魏永幸，左德元.對高速鐵路以橋代路條件及其決策的思考[J].鐵道勘察，2006(2)

[10]邱順東. 橋梁工程軟件midas Civil常見問題解答[M].北京：人民交通出版社，2009

[11]鐵道第三勘察設計院.橋涵地基和基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2002

Design of the Bridge Instead of the Railway Sub-Grade Diseased

ZHOU Lei

2016-01-13

鄒蕾(1980—)，女，2009年畢業于西南交通大學橋梁與隧道專業，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0092-05

U442.5

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