鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計影響因素分析

王 君

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

0 引言

近年來，我國高速鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如日中天，線路規(guī)劃網(wǎng)越來越密集。由于既有道路、管線錯綜復(fù)雜，在新建鐵路橋梁建設(shè)中，相交線在平面上發(fā)生沖突的問題越來越多。這種情況下無法采用普通獨柱墩，為了不影響下方線路的運營，常在設(shè)計中利用框架墩結(jié)構(gòu)來解決新建線小角度跨越鐵路干線、高等級道路或復(fù)雜管線等的問題。本文將著重對鋼橫梁框架墩結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計影響較大的一些因素進行分析研究。

1 框架墩方案

框架墩結(jié)構(gòu)具有布置靈活、跨越能力強、施工方便等優(yōu)點[1]。在選定框架墩方案時，首先應(yīng)考慮該設(shè)計軌面高度下，框架墩的橋下凈空和跨度是否能滿足所跨鐵路干線或高等級道路的建筑限界要求[2,3]。根據(jù)材料類型，常見框架墩可分為預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁框架墩和鋼橫梁框架墩[4]。跨越公路時建筑限界示意圖見圖1。

根據(jù)所跨越的建筑限界要求初步確定框架墩的墩高和橫梁跨度后，進行框架墩設(shè)計。由于框架墩為超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計時需考慮基礎(chǔ)不均勻變位、溫度變化、混凝土收縮、徐變等的影響[5]。

2 框架墩設(shè)計分析

現(xiàn)以某高速鐵路中一鋼橫梁框架墩為例，對設(shè)計中影響結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計的幾點因素作分析說明?？蚣芏諜M跨22 m，上部梁跨為雙線有砟(32+32)m簡支梁，受線路縱斷面控制，總墩高10 m?？缭借F路時建筑限界示意圖見圖2。

2.1 模型

采用Midas Civil有限元軟件建立鋼橫梁框架墩模型，如圖3所示。

2.2 基礎(chǔ)剛度影響研究

框架墩結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)約束條件十分敏感，左、右柱基礎(chǔ)有時按同樣的地質(zhì)資料設(shè)計，基礎(chǔ)剛度難以準確模擬。模擬約束較實際強時，橫梁設(shè)計不安全，同時立柱和基礎(chǔ)設(shè)計較困難；模擬約束較實際弱時，情況正相反，橫梁設(shè)計困難而立柱和基礎(chǔ)的設(shè)計不安全[2]。

圖4，圖5為主+附工況下，左右墩柱柱頂和柱底在不同基礎(chǔ)剛度作用下的截面內(nèi)力變化趨勢圖。可以看出，隨著基礎(chǔ)剛度的增大，墩柱截面的軸力值逐漸變小，但數(shù)值較穩(wěn)定，減小速率不明顯，而截面彎矩值陡然增大，2倍基礎(chǔ)剛度下的墩底軸力值約為0.5倍基礎(chǔ)剛度的0.97倍，而彎矩值達1.75倍。

由此可見，基礎(chǔ)約束模擬的強弱對結(jié)構(gòu)自身和基礎(chǔ)設(shè)計有著直接的影響。通常為結(jié)構(gòu)安全性以及耐久性考慮，框架墩結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對基礎(chǔ)剛度進行多次反復(fù)迭代試算，對基礎(chǔ)樁長穩(wěn)定之后的基頂約束剛度值乘以系數(shù)進行包絡(luò)設(shè)計，小剛度控制橫梁變形及剛度等，大剛度控制墩柱和基礎(chǔ)的配筋[6]。

2.3 墩高影響研究

當(dāng)以較經(jīng)濟的線路縱斷面高度跨越既有線路時，受建筑限界控制，框架墩墩高往往很矮，墩高越小結(jié)構(gòu)整體剛度越大，對溫度作用和沉降等則更敏感[7]。

為明確墩高對設(shè)計的影響，仍以該墩為例，在1倍基礎(chǔ)剛度約束作用及其他邊界條件均不變的情況，僅改變其墩高，觀察溫度變化、基礎(chǔ)沉降和主+附工況引起的左、右墩柱頂和基頂截面內(nèi)力(見圖6～圖8)。

不難看出，隨著墩高的變化，基礎(chǔ)變位、溫度變化效應(yīng)引起的彎矩值變化十分明顯。墩高越小，基頂彎矩值越大。在主+附工況下，由于各種荷載作用的不利效應(yīng)疊加，墩高10 m的框架墩軸力為墩高20 m的0.88倍，但彎矩值為1.94倍，最大彎矩差值達7 580 kN·m(如圖9～圖11所示)。

可以發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)，框架墩墩高越矮，其剛度越大，溫度效應(yīng)、沉降等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響更加顯著，橫梁與墩柱的剛度比太小，容易出現(xiàn)立柱和基礎(chǔ)設(shè)計困難的情況，建議選定框架墩方案時墩全高控制在合理高度范圍。

2.4 施工工藝影響研究

除以上外，施工方法對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響也不容忽視[8]?，F(xiàn)場施工中，既可以在吊裝完成鋼橫梁后直接灌注節(jié)點混凝土，也可以先將鋼橫梁吊裝至柱頂，待上部梁跨架設(shè)完成后灌注節(jié)點混凝土，完成橫梁和墩柱固結(jié)[9]。

圖12～圖15對比了以上兩種施工方法施工完成后，框架墩墩柱截面的恒載工況下內(nèi)力。

可以看出，兩種施工方法完成的框架墩結(jié)構(gòu)，在運營工況下墩柱截面軸力基本一致，但彎矩值差別很大。墩柱、橫梁固結(jié)后再架梁的施工工藝下框架墩墩頂、墩底截面彎矩均更大，這是由于鋼橫梁跨越能力強，跨度通常較大，架梁過程中橫梁與墩柱頂節(jié)點處會產(chǎn)生較大恒載彎矩，而在橫梁與墩柱鉸接的狀態(tài)下，鋼橫梁以受壓為主，節(jié)點處布置有臨時支座，可以釋放節(jié)點處彎矩。

因此，雖然先鉸接再固結(jié)的方法施工時相對較為繁瑣，仍建議一般的鋼橫梁框架墩優(yōu)先采用該施工工藝[10]。

3 結(jié)論

1)基礎(chǔ)剛度的強弱直接影響框架墩結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，由于基礎(chǔ)約束模擬無法達到高準確性，因此通常選擇包絡(luò)設(shè)計以保證結(jié)構(gòu)的安全耐久。

2)框架墩墩高越小，整體剛度越大，溫度變化作用、基礎(chǔ)變位等對其產(chǎn)生的影響也越大，因此建議選定框架墩方案時其墩高不要太小，使墩柱與橫梁剛度比控制在合理高度范圍，以免墩柱和基礎(chǔ)設(shè)計困難。

3)一般的鋼橫梁框架墩建議采用橫梁與墩柱先鉸接，架梁完成或二期鋪裝再墩梁固結(jié)，這樣可以有效釋放節(jié)點處恒載產(chǎn)生的橫向彎矩，對結(jié)構(gòu)受力有利。