高速鐵路四線H型框架墩力學性能分析

劉國

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 引言

本文結合某高速鐵路四線H型框架墩的設計，介紹了框架墩的構造特點，對框架墩結構進行檢算，為后續高鐵工程類似結構的設計提供參考。

2 力學性能分析

2.1 橋墩概況

橫梁采用預應力混凝土結構，混凝土等級為C50。墩柱頂部1.5m范圍內采用C50混凝土，頂部1.5m以下部分采用C40混凝土。框架墩上部支撐32m+32m簡支梁，采用鉆孔樁基礎。框架墩橫向跨度16m，上部高鐵處墩高30.5m，下部機場線與高鐵高差4m。橫梁跨中處梁高3m，支點處梁高3.8m。

考慮到左右側墩柱承受荷載不同，墩柱的強度需求不同，其橫截面尺寸也不同，左柱橫向寬度3.6m，縱向寬度4m，右柱橫向寬度3m，縱向寬度3.6m。左柱處橫梁縱向寬度4.2m，右柱處橫梁縱向寬度3.8m，下層橫梁縱向做成變截面結構。

高鐵線先于機場線運營，雙層框架墩上層為高鐵線，下層為機場線。在高鐵線運營期間，施工機場線箱梁，完成后高鐵線與機場線同時運營。

2.2 結構計算

采用MIDAS/Civil程序空間梁單元建模，檢算橫梁受力；采用偏心受壓構件計算程序，檢算橋墩受力。因基礎的剛度對結構計算的影響比較大[1]，大跨度框架墩對基礎的約束非常敏感[2,3]，本設計取0.5～2倍基礎理論剛度包絡計算。

2.2.1 橫梁檢算

豎向靜活載引起的框架墩橫梁跨中處撓度為-5.05mm，靜活載撓度為橫梁跨度的1/3168，滿足規范要求。

1）施工階段應力檢算

由于架橋機荷載遠小于（二恒+活載）值，因此，施工階段僅驗算停梁工況（鋼束張拉到位未架梁之前工況）。停梁工況下應力計算結果如表1所示。

表1 停梁工況應力計算結果

停梁工況下，橫梁上緣最大壓應力為9.02MPa，混凝土出現拉應力，最大拉應力為0.2MPa；橫梁下緣最大壓應力為8.85MPa，最小壓應力為1.11MPa。施工階段橫梁上下緣應力均滿足規范要求。

2）運營階段應力檢算

主力及主+附工況下運營階段應力檢算結果如表2和表3所示。

表2 主力工況下運營階段應力計算結果

表3 主+附工況下運營階段應力計算結果

運營階段主力工況下，橫梁上緣最大壓應力為7.76MPa，最小壓應力為1.75MPa；橫梁下緣最大壓應力為8.72MPa，最小壓應力為1.52MPa。運營階段主+附工況下，橫梁上緣最大壓應力為11.20MPa，混凝土出現拉應力，最大拉應力為1.00MPa；橫梁下緣最大壓應力為9.35MPa，最小壓應力為0.80MPa。施工階段橫梁上下緣應力均滿足規范要求。

2.2.2 墩柱剛度

H型框架墩采用1倍基礎剛度，墩身剛度按以下方式提取。方式一：僅在上層橫梁相應梁位處添加單位力，提取上層橫梁墊石頂處的位移；方式二：在上下層橫梁相應梁位處同時添加單位力，提取上層橫梁墊石頂處的位移。剛度結果如表4所示。

表4 墩身剛度結果

2種方式下框架墩墩頂縱向剛度均滿足規范要求。

3 結語

考慮到高鐵運營時，機場線梁部尚未架設，合理確定了框架墩橫梁應力控制指標。根據設計經驗、結合高鐵及機場線加載位置擬定結構尺寸，選用有限元軟件進行分析計算，評判結構尺寸、墩柱剛度等的合理性。