安九鐵路跨既有合九線鋼橫梁門式墩設(shè)計(jì)

沈耀海 SHEN Yao-hai

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鐵路建設(shè)如火如荼，城市建設(shè)也日新月異。不可避免的，新建鐵路與既有鐵路、公路、航道、油氣管道等的交叉也越來(lái)越普遍。尤其是新建鐵路在引入既有鐵路車站時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，新建線往往以很小角度上跨既有線。兩線夾角、既有線寬度、立交凈空等條件，是控制設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵因素。

新建線小角度斜交上跨既有線常用“小跨度結(jié)構(gòu)+門式墩”及大跨橋梁跨越兩種方案。其中“小跨度結(jié)構(gòu)+門式墩”方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、節(jié)約投資、上部可采用標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛[1][2][3]。本文結(jié)合新建安九鐵路孔壟上行聯(lián)絡(luò)線特大橋跨既有合九鐵路工程實(shí)例，研究新建鐵路小角度上跨既有線的鋼橫梁門式墩設(shè)計(jì)及實(shí)施方案。

1 工程概況

安九鐵路孔壟上行聯(lián)絡(luò)線上跨既有合九鐵路處孔壟上行聯(lián)絡(luò)線特大橋位于湖北省黃梅縣孔壟鎮(zhèn)，橋址位于長(zhǎng)江沿岸沖積平原區(qū)，地形平緩，地面高程為5～18m。橋址范圍地層為人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂、細(xì)圓礫土及砂巖等。基本地震動(dòng)峰值加速度0.05g，基本地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

安九鐵路孔壟上行聯(lián)絡(luò)線為單線Ⅰ級(jí)電氣化鐵路，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為160km/h。既有合九鐵路為單線Ⅰ級(jí)鐵路，內(nèi)燃預(yù)留電氣化條件。安九鐵路孔壟上行聯(lián)絡(luò)線與既有合九線交叉里程為KLSDK2+855.3，距既有孔壟站約3km。交叉處既有鐵路為路基段，路肩寬度約7.6m，路基填高為3.5～3.8m。

由于既有線與新建線交叉角僅為5°，無(wú)法采用大跨橋梁一跨跨越，故孔壟上行聯(lián)絡(luò)線特大橋58～65號(hào)墩設(shè)計(jì)采用8榀門式墩跨越既有合九鐵路，上部結(jié)構(gòu)采用“通橋（2017）2101”系列32m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁。為盡量減少施工過程中對(duì)既有合九線的干擾，降低既有合九線運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，門式墩墩柱基礎(chǔ)盡量不侵占既有線路基本體，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性因素，門式墩鋼橫梁跨度設(shè)計(jì)為24m。平面布置如圖1所示。

圖1 孔壟上行聯(lián)絡(luò)線與既有合九鐵路交叉平面圖（單位：m）

2 方案研究

鐵路工程中常見的門式墩橫梁有預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁兩種形式[3]。預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁存在結(jié)構(gòu)尺寸大、施工周期長(zhǎng)等問題，且施工時(shí)需要搭設(shè)現(xiàn)澆支架，對(duì)既有線的運(yùn)營(yíng)安全影響較大，不適用于上跨既有線的情況。鋼橫梁存在結(jié)構(gòu)尺寸小、自重輕、可通過工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工等優(yōu)點(diǎn)，安全性能較好，對(duì)既有鐵路的運(yùn)營(yíng)影響很小，非常適用于上跨既有線的情況，因此在新建鐵路上跨既有線的橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛[4][5]，本橋即采用鋼橫梁方案上跨既有鐵路。

門式墩墩柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼橫梁與墩柱有鉸接和固結(jié)兩種連接方式。鉸接連接需在墩柱頂、鋼橫梁下設(shè)置支座，此時(shí)鋼橫梁作為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單，但橫梁彎矩較大且墩柱無(wú)法分擔(dān)，從而導(dǎo)致橫梁截面較大，且鉸接連接的整體穩(wěn)定性較差。固結(jié)連接與鉸接相比，雖然墩頂分擔(dān)了橫梁彎矩后彎矩變大，但橫梁彎矩減小，進(jìn)而可減小鋼橫梁的截面尺寸、縮減結(jié)構(gòu)高度。本橋鋼橫梁與墩柱固結(jié)連接，采用“恒載鉸接、活載剛接”的模式。第一階段墩柱施工完畢后，將鋼橫梁吊裝后置于柱頂，只穿入節(jié)點(diǎn)連接鋼筋并臨時(shí)固定，暫不澆注節(jié)點(diǎn)混凝土，此時(shí)橫梁與墩柱按鉸接計(jì)算；第二階段完成T梁架設(shè)及橋面系施工后，二期恒載加載完畢，自鋼橫梁頂板預(yù)留施工孔處澆注C50補(bǔ)償收縮混凝土，使鋼橫梁與墩柱實(shí)現(xiàn)固結(jié)連接。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 鋼橫梁門式墩設(shè)計(jì)

3.1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造及材料

門式墩鋼橫梁采用單箱單室的鋼箱結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)26.5m，立柱中心距為24m。梁寬2.8m，高2.1m（58、65號(hào)墩橫梁高1.8m）。58、59、65號(hào)墩鋼橫梁上、下翼緣板厚20mm，64號(hào)墩鋼橫梁上、下翼緣板厚24mm，60號(hào)墩鋼橫梁上、下翼緣板厚28mm，64號(hào)墩鋼橫梁上、下翼緣板厚32m，61、62號(hào)墩鋼橫梁上、下翼緣板厚36m，腹板厚28mm。鋼箱梁內(nèi)側(cè)頂?shù)装宸謩e焊有3道縱向加勁肋、腹板左右側(cè)縱向分別焊有2道縱向加勁肋，每隔2.7m左右設(shè)1道橫隔板，隔板之間設(shè)豎向加勁肋（間距0.9m），水平加勁肋沿全梁通長(zhǎng)，遇有豎向加勁肋處將豎向加勁肋斷開。門式墩鋼橫梁主要受力構(gòu)件采用Q345qD鋼材，次要構(gòu)件及附屬結(jié)構(gòu)采用Q235-B.Z鋼材。鋼橫梁外表面采用《鐵路鋼橋保護(hù)涂裝及涂料供貨技術(shù)條件》（Q/CR 730-2019）中第七涂裝體系的涂料進(jìn)行涂裝。

本文以65號(hào)墩為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，65號(hào)墩鋼橫梁典型斷面布置如圖2所示。

圖2 65號(hào)墩鋼橫梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

墩柱采用鋼筋混凝土矩形截面，墩身截面尺寸為2.8m×2.5m（縱向×橫向），墩高8.0～10.5m。根據(jù)受力要求，墩柱縱向配雙排直徑28mm、間距10cm的HRB400鋼筋。柱頂處外包30mm厚鋼板與鋼橫梁焊接連接，高度為1m，鋼板內(nèi)通過埋設(shè)剪力釘與墩柱鋼筋混凝土連接，形成整體受力。墩柱后澆部分采用C50補(bǔ)償收縮混凝土，其余部分采用C40混凝土。

門式墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，其中第1類承臺(tái)尺寸為4.85m×4.85m×2.0m（縱×橫×厚），基礎(chǔ)采用4φ1.0m鉆孔灌注樁，第2類承臺(tái)平面尺寸為6.9m×4.85m×2.5m（縱×橫×厚），基礎(chǔ)采用5φ1.0m鉆孔灌注樁，承臺(tái)樁基沿路基方向扭轉(zhuǎn)5°。由于橋址區(qū)地下水具侵蝕性，承臺(tái)及樁基均采用C40混凝土。

65號(hào)鋼橫梁門式墩立面圖如圖3所示。

圖3 65號(hào)墩立面布置圖（單位：cm）

3.1.2 設(shè)計(jì)荷載及荷載組合

3.1.2.1 恒載

①自重按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002-2017）（以下簡(jiǎn)稱“橋規(guī)”）規(guī)定辦理；

②二期恒載按“通橋（2017）2101”梁圖規(guī)定辦理；

③混凝土收縮徐變：按《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092-2017）規(guī)定計(jì)算；

④基礎(chǔ)不均勻沉降：兩側(cè)墩柱基礎(chǔ)不均勻沉降≤0.5cm。

3.1.2.2 活載

①列車豎向靜活載采用ZK活載；

②列車活載動(dòng)力系數(shù)按照“橋規(guī)”第4.3.8條規(guī)定辦理；

③橫向搖擺力取100kN，作為一個(gè)集中荷載作用在最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。

3.1.2.3 附加力

①風(fēng)力按“橋規(guī)”第4.4.1條規(guī)定辦理；

②門式墩體系的結(jié)構(gòu)溫度變化影響力按照整體升溫30℃、降溫30℃考慮；

③列車制動(dòng)力或牽引力根據(jù)“橋規(guī)”第4.3.10條按照列車豎向靜活載的10%計(jì)算。

3.1.2.4 特殊荷載

①地震力按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2009年版）（GB 50111-2006）計(jì)算；

②長(zhǎng)鋼軌縱向力，包括伸縮力、撓曲力和斷軌力，均按照“橋規(guī)”第4.3.12條及《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10015-2012）相關(guān)規(guī)定辦理。

3.1.2.5 荷載組合

對(duì)以上荷載進(jìn)行組合，詳見表1所示。

表1 荷載組合表

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.2.1 鋼橫梁門式墩計(jì)算

計(jì)算時(shí)樁基礎(chǔ)剛度采用比擬桿件法模擬，并采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行建模，所建65號(hào)墩桿單元模型如圖4所示，分別檢算鋼橫梁的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞等內(nèi)容。

圖4 65號(hào)門式墩鋼橫梁建模示意圖

3.2.1.1 強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10091-2017）（以下簡(jiǎn)稱“鋼橋規(guī)”），對(duì)65號(hào)墩鋼橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，主力組合的結(jié)構(gòu)正應(yīng)力均小于Q345qD鋼材的軸向容許應(yīng)力200MPa，“主+附”組合的結(jié)構(gòu)正應(yīng)力均小于260MPa；兩種荷載組合下的剪應(yīng)力均小于Q345qD鋼材的剪應(yīng)力容許值120MPa。故鋼橫梁強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3.2.1.2 局部承壓計(jì)算

65號(hào)墩支座處橫隔板局部承壓應(yīng)力σ=80.65MPa＜200MPa，豎向應(yīng)力σ=142.05MPa＜200MPa，均滿足規(guī)范要求。墩柱處局部承壓應(yīng)力σ=83.13MPa＜200MPa，豎向應(yīng)力σ=171.40MPa＜200MPa，均滿足規(guī)范要求。

3.2.1.3 疲勞計(jì)算

依據(jù)“鋼橋規(guī)”第4.3條，對(duì)門式墩鋼橫梁進(jìn)行疲勞檢算。疲勞組合包括設(shè)計(jì)荷載中的恒載加活載（包括沖擊力、離心力，但不考慮活載發(fā)展系數(shù)）。根據(jù)“疲勞應(yīng)力為拉-拉構(gòu)件或以拉為主的拉-壓構(gòu)件”計(jì)算公式，65號(hào)墩鋼橫梁疲勞應(yīng)力為γdγn=（σmax-σmin）=41.6MPa≤γt[σ0]=121.7MPa，滿足要求。

3.2.1.4 預(yù)拱度計(jì)算

為了保證線路的平順，通過設(shè)置預(yù)拱度來(lái)抵消鋼橫梁撓度的影響。鋼橫梁預(yù)拱度為“恒載+1/2靜活載”產(chǎn)生的撓度累積之和，最大值為1.3cm，方向向上。

3.2.2 墩柱及基礎(chǔ)計(jì)算

3.2.2.1 墩柱配筋計(jì)算

根據(jù)Midas Civil有限元模型荷載組合結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，65號(hào)墩地震力不控制墩柱配筋，墩柱縱向由主力控制配筋且墩頂處外側(cè)受拉。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，墩柱橫向可按構(gòu)造配單排直徑28mm、間距10cm的HRB400鋼筋，墩柱縱向配雙排直徑28mm、間距10cm的HRB400鋼筋。

3.2.2.2 剛度計(jì)算

65號(hào)鋼橫梁門式墩墩頂縱向水平剛度為614.6 kN/cm，大于單線客貨共線、高速鐵路墩臺(tái)頂縱向水平線剛度限值220kN/cm，滿足規(guī)范要求。

3.2.2.3 樁長(zhǎng)計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，本橋墩第1類承臺(tái)處樁基長(zhǎng)度51m，第2類承臺(tái)處樁基長(zhǎng)度44m。

3.2.2.4 墩柱及基礎(chǔ)其他參數(shù)計(jì)算

分別計(jì)算65號(hào)墩墩柱及基礎(chǔ)的混凝土、鋼筋容許應(yīng)力，裂縫容許值，基礎(chǔ)沉降值等，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 實(shí)施方案

上跨既有線的門式墩鋼橫梁一般采用工廠預(yù)制后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)吊裝的方法施工。在門式墩基礎(chǔ)及墩柱施工完畢并在柱頂預(yù)埋鋼板后，在施工天窗點(diǎn)內(nèi)采用履帶吊將鋼梁一次吊裝到位。通過將鋼橫梁底部鋼板與墩柱頂預(yù)埋鋼板對(duì)齊并焊接后，再向墩梁相接處澆筑C50補(bǔ)償收縮混凝土。

門式墩鋼橫梁最大吊重120t，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)結(jié)合吊車的額定起吊能力、吊車臂長(zhǎng)、作業(yè)半徑等選用了600t履帶吊進(jìn)行吊裝施工。為避免對(duì)既有線及相鄰已實(shí)施的孔壟下行聯(lián)絡(luò)線路基段產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況對(duì)吊裝平臺(tái)采用水泥攪拌樁進(jìn)行了加固處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

2021年12月30日，安九高鐵全線正式通車運(yùn)營(yíng)，同時(shí)也見證了我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程突破4萬(wàn)公里。孔壟上行聯(lián)絡(luò)線特大橋在施工期間未發(fā)生任何質(zhì)量安全事故，上跨既有合九鐵路采用門式墩鋼橫梁方案取得了圓滿成功。

在本成功的案例中，既有線與新建線交叉角僅為5°，采用常規(guī)大跨橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)法一跨跨越，而采用門式墩方案是最合理可行的方案。其中鋼橫梁門式墩方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約投資，最重要的是施工周期短、對(duì)既有線影響最小，因而成為本橋小角度斜交上跨既有合九線的最佳跨越方案，也對(duì)今后類似工程有很好的參考借鑒意義。