京張高鐵預應力混凝土框架墩設計實例分析

尹斌

摘 要：京張高鐵某工點與改建京包線交叉，夾角較小，因此采用框架墩跨越改建京包線。文章結合工程實例，對框架墩設計進行了全面的分析介紹，并通過調整施工順序達到優化設計的目的，工程施工后滿足了施工要求，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：框架墩 優化設計

1.工程概況

京張高鐵是世界上第一條設計時速350km有砟軌道高速鐵路，也是世界上第一條設計時速350km的高寒、大風沙高速鐵路。京張高鐵位于北京市西北、河北省北部境內，東起北京市，途經北京市海淀、昌平兩區和延慶縣，由延慶縣康莊鎮入河北省境內，跨官廳水庫，經懷來縣、下花園區、宣化區，西迄張家口市，呈東西向溝通兩市。

京張高鐵為2022年冬奧會重要的交通樞紐，是連接北京和張家口的重要通道。京張高鐵對兩地經濟發展和文化交流具有重要意義，極大地方便了兩地旅客出行，讓兩地資源互補，同時京張高鐵也將在擴大內需、增加就業和改善人民生活等方面發揮重要作用。

本段橋位位于河北省懷來縣土木村和官廳水庫之間，橋位處，地勢平坦開闊，橋址區以村莊及耕地為主。既有京包線在此處為單線非電氣化線路，與本線斜交，由于既有京包線與本線夾角較小，為保證運營安全，施工中對既有京包線進行局部改建，改建京包線與本線夾角12度，采用32m簡支梁（下部結構為框架墩）形式跨越。

2.框架墩平面布置

既有京包線與本線夾角太小，需對既有京包線進行改建。改建京包線為單線，限界寬度為4.88m，本線與改建京包線夾角12°。由于夾角較小，如采用預應力混凝土連續梁方案，至少需要主跨為100m的連續梁才能跨越改建京包線。主跨100m的連續梁中支點高7.91m，邊支點高4.91m，平均墩高26m，而采用框架墩跨越，上部為標準32m簡支梁，經濟優勢明顯，故不考慮采用預應力混凝土連續梁方案。

本處采用2孔32m簡支梁跨越改建京包線，橋墩采用框架墩，由于框架墩墩柱緊挨改建京包線，墩柱布置時不僅要滿足鐵路限界的要求，施工時應與改建京包線同期實施，避免后期施工干擾，增加施工難度。本段墩柱北側距離既有京包線較近，施工時要采取相應的防護措施，以減少施工對既有鐵路的影響。

橋址處地震動峰值加速度為0.20g，相當于地震基本烈度Ⅷ度，地震動反應譜特征周期0.35s，屬Ⅱ類場地。最大凍結深度0.99m。勘察期間地下水埋深為7.20～22.8m，地下水對混凝土不具侵蝕性。

3.結構尺寸

框架墩計算跨度12m，凈跨度9.5m，橫梁截面為組合梯形，上頂面寬3.4m，下底面寬3.1m，截面高2.4m；墩柱為矩形截面，墩身頂尺寸為2.5x2.5m，橫橋向墩身坡度為直坡，縱橋向墩身坡度為25：1；承臺橫橋向5.6m，縱橋向8.9m；墩柱均采用6根1.25m鉆孔灌注樁；31號墩總高29m，立柱高26.6m，框架墩在距立柱頂12.75m處設置一道2.0×1.6m橫系梁。本次框架墩計算以31號墩為例。

4.主要設計指標

4.1設計參數

橫梁縱向預應力筋采用低松弛鋼絞線、夾片式錨具，其預應力損失按如下參數計算：

（1）采用金屬波紋管成孔，鋼束與管道壁之間的摩阻系數μ取0.26，管道偏差系數k取0.0025。

（2）錨具的錨口摩阻損失與錨下喇叭口摩阻損失之和按錨外控制應力的6%。

（3）錨具回縮量每端取6mm，計入反向摩阻作用。

（4）其它預應力損失按《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）有關條文計算。

（5）錨口及喇叭口損失、管道摩阻系數、管道偏差系數應經現場試驗確定，若與設計值偏差較大，應重新檢算調整。

4.2橫梁變形限值

（1）在ZK豎向靜活載作用下，梁體豎向撓度Δ限值：Δ≤L/1600，L為計算跨度。

（2）在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，梁體水平撓度應≤梁體計算跨度的1/4000。

（3）以一段3.0m長的線路為基準，在ZK活載作用下，一線2根鋼軌的豎向相對變形量≤1.5mm。

4.3線形控制

（1）位移向上為“+”，向下為“-”。

（2）最大靜活載撓度發生在32號墩：- 0.93mm，為跨度的1/12903。

（3）本橫梁不設置預拱度。

5.結構計算

5.1框架墩橫梁計算

本次框架墩橫梁計算采用PRBP程序，考慮到本程序系統為平面梁元體系，對于空間折線布置，只能近似地按平面折線處理，其處理方式為忽略橫橋方向的轉折影響。框架墩模型一共分為50個單元，墩柱系梁一次澆筑。

根據運營階段下，框架墩橫梁計算可看出，在主力工況下，對于框架墩橫梁上緣，混凝土最大應力為6.66MPa，橫梁上緣混凝土最小應力為1.19MPa；橫向下緣混凝土最大應力為5.87MPa，橫梁下緣混凝土最小應力為0.95MPa。橫梁上下緣最大、最小應力值均滿足規范要求。

運營階段下，框架墩橫梁截面抗裂系數驗算結果如表1所示。

5.2框架墩墩柱計算

框架墩墩柱采用MIDAS計算，先將PRBP計算通過的預應力鋼束導入MIDAS中，根據《鐵路橋涵設計規范》荷載組合原則，算出各截面的內力，通過各截面的彎矩、剪力和恒載軸力來計算框架墩墩柱的配筋。通過分析墩柱配筋結果，可知，墩頂橫橋向截面的配筋由施工階段預應力張拉控制，預應力張拉時墩頂彎矩達到10125kN·m，截面橫向需采用雙肢28的鋼筋，鋼筋應力和裂縫均滿足規范要求。

經過分析，框架墩橫梁和墩柱的相對剛度直接影響到彎矩的分配，墩柱剛度越大，所受的彎矩就越大，橫梁所受彎矩就越小；反之墩柱剛度越小，所受的彎矩就越小，橫梁所受彎矩就越大。為減少墩身鋼筋數量，降低框架墩造價，對施工順序進行了優化調整，將墩系梁與墩柱一次澆筑調整為預應力張拉完后墩系梁再澆筑，并對橫梁和墩柱計算模型進行了調整。

PRBP模型調整完后，通過分析框架墩橫梁計算結果，可知，在主力工況下，對于框架墩橫梁上緣，混凝土最大應力為6.52MPa，橫梁上緣混凝土最小應力為0.76MPa；橫向下緣混凝土最大應力為6.35MPa，橫梁下緣混凝土最小應力為0.97MPa。橫梁上下緣最大、最小應力值均滿足規范要求。

MIDAS模型調整完后，墩柱配筋結果如表2所示。

從表2中可看出，墩系梁施工順序調整為后澆，墩頂橫橋向截面的鋼筋由雙肢28的鋼筋降低為雙肢25的鋼筋，施工階段預應力張拉時墩頂彎矩由10125kN×m降到了7973kN×m，彎矩降幅達到21%，效果明顯，應力和裂縫均滿足規范要求。

5.3基礎計算

承臺滿足剛性角要求，構造配筋即可。樁基根據MIDAS模型計算的承臺底反力進行群樁計算，采用B89群樁計算程序計算樁基長度和配筋。經計算，31號框架墩左右墩柱均采用6根1.25m樁基，樁長23m。

6.結束語

綜上所述，目前該處框架墩已施工完畢，并完成架梁。在框架墩設計時，應找到截面配筋的控制工況，并對其進行深入研究，本工點通過進行調整施工順序達到優化鋼筋數量的目的。

參考文獻：

[1]TB10002-2017.鐵路橋涵設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[2]TB10092-2017.鐵路橋涵混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2017.