鐵路縱向Y型橋墩設計關鍵技術研究

仝 波 陳 杰

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

1 概述

在我國，新建高鐵車站大都距離市區較遠，若高鐵接入市區既有車站，往往會面臨鄰近營業線施工、既有建筑改建及拆遷困難、隱蔽工程影響施工等問題。已有許多學者進行了相關研究：肖婧[13]研究了鐵路非標墩的設計，避免了在孔跨中出現非標梁的情形，但是縱向調節跨度只有2 m左右；劉彥明[8]提出了轉體V型T構方案，但該方案本身不具備調整跨度的功能。吳岐賢等[10，15]分析了Y型墩剛構橋的力學參數；王吉盈等[9，14]介紹了V型剛構橋的特點。以某高鐵接入市區車站 工程為例，對縱向Y型橋墩的設計進行深入研究。

2 結構設計

結合現場特點，設計了縱向Y型橋墩，墩高20 m，墩頂縱向長15.11 m，主梁長11.91 m，墩梁固結，將原設計此處(40+24) m簡支梁調整為32 m簡支梁+11.91 m縱向Y型墩+20 m簡支梁方案，如圖1所示。

圖1 工點立面(單位：cm)

因為線路高程發生變化，墩頂拉桿采用變厚度，跨中截面為5.0 m×1.5 m，Y型斜柱按2∶1放坡，截面為5.0 m×1.8 m，豎向立柱截面為5.0 m×4.0 m。為不侵占人行道，本橋墩豎向立柱需切去1.3 m×0.6 m的角，橋墩構造大樣如圖2和圖3所示。

圖2 橋墩正視側視示意(單位：cm)

圖3 橋墩剖面示意(單位：cm)

3 設計原則

3.1 荷載

活載：ZK活載；

制動力：取計算長度內活載的10%，當與離心力或豎向動力作用時取7%；

溫度作用力：整體升溫25 ℃，整體降溫20 ℃；

工點曲線半徑取600 m，離心力以及風力、搖擺力、土壓力等均依規范取值[1]。

3.2 剛度控制因素

4 設計關鍵技術

4.1 剛度設計

高鐵橋墩的縱向水平線剛度對于橋上軌道及橋梁結構本身的安全十分重要[5]，但在豎向力作用下，橋墩也會有水平位移，且比水平力的作用更大。因此，提出了采用豎向力和水平力共同作用來計算縱向剛度的解決方案：依據鐵路列車制動力的取值特點[1]，豎向力取水平力的10倍，如圖4所示，用該水平力與水平位移的比值作為本橋墩的縱向剛度。

圖4 縱向Y型墩剛度評估模型

本橋墩的縱向剛度為

KZ=FH/S

(1)

式中，KZ為Y型墩縱向線剛度/(kN/cm)，FH為作用墩頂水平力/kN，S為考慮基礎剛度、在水平力和豎向力共同作用下的墩頂水平位移/cm。

在豎向力作用下，橋墩會對基礎產生很大的彎矩，而基礎的抗彎剛度決定了橋墩的墩頂位移值[4]。在水平力100 kN和豎向力1 000 kN作用下，不同樁基布置下的剛度設計值見表1。由表1可知，考慮豎向力與否，剛度值差距在4倍左右；基礎的抗彎剛度越大，即順橋向樁間距增大，橋墩的縱向線剛度也越大[7]。實際施工中采用8-φ1.5 m樁基布置，縱向線剛度為255 kN/cm，滿足規范要求[1]。

表1 不同基礎布置形式縱向線剛度

4.2 撓度評價

橋墩左側為32 m簡支梁，右側為20 m簡支梁，32 m簡支梁在ZK靜活載作用下撓度為8.91 mm，Y型橋墩在列車反力作用下墩頂豎向下移1.85 mm，水平左移3.92 mm，故左側32 m簡支梁組合撓度為(8.91+1.85) mm=10.76 mm，小于規范13.7 mm的限值，滿足要求。

4.3 疲勞荷載

在列車活載作用下，橋墩會受到來回反復的縱向彎矩作用，這是一個疲勞受力特征。規范[2]要求“對承受疲勞荷載作用的構件，應檢算鋼筋應力幅”。疲勞荷載為運營階段設計活載，本橋墩采用兩根一束28號主筋布置[12]，在橋墩兩側活載作用下(考慮沖擊系數)，得到應力幅值為87.3 MPa，滿足規范要求[2]。

4.4 應力控制

橋墩及主梁均采用鋼筋混凝土結構，其墩頂應力較為復雜[3，11]，故采用實體模型進行分析[6]。模擬分析表明，主拉應力集中在Y型框架的內緣交匯處。墩頂的拉桿是一個受拉為主的拉彎構件，其主拉應力在1.1～3.9 MPa之間，以右側倒角交匯位置處最大(如圖5所示)；主梁腹板的受拉應力約為0.6 MPa，未超過混凝土主拉應力，腹板受力表現出深梁的受力特點，主拉應力沿腹板截面斜向45°；底板主拉應力(順線路方向)發生在支座下緣部位，“恒載+左側主梁有車(單孔重載)”應力計算結果見表2。

表2 主要部位主拉應力計算結果 MPa

圖5 Y型墩頂部主拉應力云圖

受拉區的鋼筋布置如圖6和圖7所示，由圖6可知，在受拉區倒圓角，形式上相對美觀，但設置互相交叉(呈凹角)的單獨鋼筋較為困難[2]。由圖7可知，其鋼筋受力更加明確，施工方便，故本次設計采用圖7所示的鈍角過渡形式及鋼筋布置。

圖6 受拉區圓角過渡鋼筋布置

圖7 受拉區鈍角過渡鋼筋布置

4.5 運架梁工況

在運架梁工況下，橋墩縱向水平位移對架橋機穩定性的影響較大，在架橋機前支腿作用在Y型墩主梁左端的工況下，墩頂水平彈性位移約為13.5 mm，豎向位移為6.2 mm；梁頂縱向水平彈性位移約為15.9 mm，豎向位移約為5.7 mm。施工中要考慮其對架橋機穩定性及架梁精度的影響。

5 結論

(1)在鐵路縱向Y型橋墩設計中，采用單側豎向力和10%豎向力(作為水平力)的共同作用，并由此評估縱向剛度。

(2)提高樁基的縱向間距是提高縱向Y型墩墩頂線剛度的有效措施。

(3)在活載作用下，立柱會有來回反復彎矩，故立柱的鋼筋布置要考慮疲勞荷載的影響。

(4)在Y型框架內緣交匯位置有著典型的拉應力集中現象，應重點考慮局部構造處理和鋼筋布置形式。