武广铁路客运专线桥墩设计研究分析

2010-09-02杨咏漪白琦成何庭国

铁道标准设计 2010年1期

关键词：武广墩身铁路桥梁

朱敏,杨咏漪,陈列,白琦成,何庭国

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

武广铁路客运专线桥墩设计研究分析

朱敏,杨咏漪,陈列,白琦成,何庭国

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

通过对比大量的国内外高速铁路墩形,确定武广铁路客运专线桥墩的形式和结构尺寸,结合该线的地质状况,设计中进行了大量的计算分析,最终确定墩身和基础的分配比例。静动力分析表明,武广铁路客运专线各种墩形的力学指标都满足规范要求,采用无顶帽托盘的桥墩使得墩形更加简洁并且施工更加方便。

武广铁路客运专线;高速铁路;桥墩;选型;静力分析;动力分析

早期普速铁路桥梁设计多以 T梁为主,桥墩大多为柱式墩、圆端形和矩形墩。近期客运专线设计中采用的桥墩结构类型主要有圆端形实体墩、矩形实体墩、矩形双柱墩、圆端形空心墩、矩形空心墩和单圆柱墩共6种墩形。武广铁路客运专线桥梁除单圆柱墩仅在斜交角度较大的跨河桥梁中少量采用外,主要采用的是圆端形实体墩、矩形空心墩和圆端形空心墩。

1 国内外高速铁路桥墩概况

1.1 德国高速铁路桥墩(图1)

德国高速铁路桥梁不多,主要以谷架桥为主,也有少量的立交桥。新建以科隆—法兰克福高速铁路为代表,线路全长 177km,共有 18座桥梁总长 6.06 km,其中谷架桥 15座,跨河桥 2座,立交桥 1座,桥梁占线路的 3.4%。基于高速铁路桥梁大部分为山谷桥,且桥位现浇施工为主,德国主要以钢筋混凝土空心墩为主。空心墩壁厚 35 cm;墩顶横桥向宽度一般在 6.4 m以内,纵桥向尺寸一般在 2.7～4.0m(连续梁中墩由于只有一排支座而小一些,连续梁边墩和简支梁墩由于纵向有 2排支座尺寸稍大一些);墩顶设有检查坑。

1.2 法国高速铁路桥墩(图2)

法国在修建高速铁路桥梁时,着重强调桥梁要与周围人文、自然景观等协调一致,几乎每座桥梁墩形都不相同,做到了一桥一景。当然,在法国考察过程中,法方也强调要做到一桥一景必将引起工程投资增加,最多增加了约 50%的投资。法国高速铁路桥梁多采用顶推法施工,包括预应力混凝土梁和结合梁,桥墩尺寸比较大。

图2 法国高速铁路桥墩

1.3 意大利高速铁路桥墩(图3)

意大利以制造大吨位架桥机闻名于高速铁路桥梁,桥梁占线路的比例比德国、法国要大,桥梁多采用预制架设方法施工,这不同于德国、法国高速铁路桥梁。桥墩多以两侧带装饰开槽的实体墩为主,在跨越河流地方采用了圆柱墩。

图3 意大利高速铁路桥墩

1.4 韩国高速铁路桥墩(图4)

图4 韩国高速铁路桥墩

韩国京釜高速铁路桥梁总长 112 km,占线路27%。梁部以 25、40m两种桥跨的连续梁为主。25m梁跨的连续梁采用先简支后连续的施工方案,简支部分采取预制架设,这对桥墩的尺寸有一定的要求。根据不同批次考察人员所拍的照片分析,不同标段的桥墩有所不同,主要以矩形空心墩、圆柱墩为主。矩形空心墩外形尺寸不变,横向宽 6m、纵向长 3.5m,墩顶中间设宽 1m、深 1m、长 3.5m的凹槽,以供运营阶段检查、维修和更换支座用。

1.5 中国台湾高速铁路桥墩(图5)

中国台湾高速铁路桥梁总长 251 km,占线路长度的 72.8%,以 30、35m两种跨度的简支梁为主,梁部分预制架设、现浇施工两种方法,其中预制架设占55.3%左右。桥墩在不同的标段有所不同,有单矩形柱式墩、单圆形柱式墩、矩形板式墩以及桩柱式墩等多种形式。中国台湾高速铁路桥梁更换支座时是在梁端部腹板下顶梁,所以梁端部悬臂较长,受此影响,桥墩顶帽纵向尺寸很大——单矩形柱顶帽尺寸为 850 cm×850 cm。值得说明的是,中国台湾高速铁路桥墩对横向刚度控制不严,以致桥墩横向尺寸很小——单矩形柱墩身尺寸为 260 cm(横向)×220 cm(纵向),这在国内目前是难以想象的。

图5 中国台湾高速铁路桥墩

1.6 日本高速铁路桥墩(图6)

日本新干线桥梁比重非常大,其桥梁特点也非常鲜明,即除立交、河流处采用 T梁及连续梁(刚构)、斜拉桥等特殊结构外,均采用小跨度的连续刚架桥,桥位现浇施工。T梁主要用于跨越道路、小河等。为降低结构高度,有时双线采用了 8片 T梁,T梁的桥墩多采用板式墩,跨河桥梁的桥墩多采用圆柱式墩。部分高架车站采用了钢管混凝土桥墩,以减小墩身截面尺寸。

图6 日本高速铁路桥墩

2 武广铁路客运专线桥墩设计情况

2.1 主要技术标准及依据

(1)铁路等级：客运专线;

(2)正线数目：双线;

(3)设计速度：速度目标值 350 km/h;

(4)正线线间距：5.0m;

(5)最小曲线半径：一般9000m,困难7 000m,枢纽内5 500m;

(6)最大坡度：一般 12‰,局部地段不超过 20‰;(7)列车类型：动车组。

2.2 墩顶功能及设计

桥墩顶除通过支座支承梁部外,还有其他附属功能,如更换支座时千斤顶摆放空间、防止落梁和防止梁部移动设施、检查或更换支座时工作空间、墩顶排水等。

根据研究,如果把顶梁用的千斤顶放在梁端内侧而非腹板下时,桥墩顶帽纵向尺寸可以减小 20 cm左右,桥墩顶纵向尺寸可以采用 300 cm,节约了桥墩工程量(经与梁部通用图编制单位协商,顶梁千斤顶中心与支座中心距离按最大 80 cm控制,此条件限制支承垫石横向宽度为 110 cm)。为配合高速铁路简支整孔箱梁,从桥墩美观考虑、同时吸收国外空心桥墩的成功经验,武广铁路客运专线空心墩不设顶帽,从而简化了桥墩外形,在增加较少圬工用量的情况下还附带增加了桥墩纵向线刚度,以确保客运专线桥梁行车更加平顺。综合各种因素,矩形空心墩外形尺寸横向统一采用 680 cm,纵向采用 300～400 cm,四角采用 R=20 cm的圆角;圆端形空心墩外形横向统一采用 800 cm,纵向采用 300～480 cm,可以使桥墩外形体量与简支梁相匹配。

2.3 桥墩方案比选

为了确定更为适合武广铁路客运专线的墩形,设计中分别设计了 6种墩形进行比选,分别是：矩形实体墩、圆端形实体墩、流线型圆端形实体桥墩、矩形双柱桥墩、圆端形空心桥墩和矩形空心桥墩。从图7和图8可以得出,无顶帽托盘的圆端形空心墩和矩形空心墩的墩身纵横向线刚度与其他墩形相比较大。

图7 各墩形墩身纵向线刚度比较

图8 各墩形墩身横向线刚度比较

2.4 桥墩设计

2.4.1 武广铁路客运专线采用的桥墩墩形

通过上述的力学比较并且结合施工,武广铁路客运专线采用了无顶帽托盘的圆端形桥墩和矩形桥墩,这时采用标准承台即满足刚性角要求,承台构造配筋即可,无需加台或加强配筋,加之简洁明快的外形使得施工更为方便。

墩身和基础的线刚度如何进行分配是一个非常重要的问题,结合武广铁路客运专线实际的地质状况,设计中进行了大量的计算分析,最终确定墩身和基础的分配比例为 7∶3。

(1)圆端形桥墩结构(图9、图10)

图9 圆端形实体桥墩结构(单位：cm)

图10 圆端形空心桥墩结构(单位：cm)

(2)矩形空心桥墩结构(图11)

2.4.2 桥墩主要参数

各种墩形在不同墩高时桥墩尺寸及线刚度比较见图12和图13。

图11 矩形空心桥墩结构(单位：cm)

图12 各墩形墩身纵向线刚度比较

图13 各墩形墩身圬工量比较

3 桥墩动静力分析

3.1 桥墩静力分析

静力分析计算采用圆端形实体墩、圆端形空心桥墩和矩形空心桥墩。计算梁跨为 32m+32m箱形简支梁,地震检算为六度地震区(α≤0.1g),墩身计算时线路曲线半径采用 R=5500m,基础计算时线路采用直线。各种计算参数按铁路桥梁设计规范及武广铁路客运专线的规定选取。

3.1.1 圆端形实体墩

墩身控制截面最大应力 σ=4.6MPa≤[σ0]=13 MPa,单线双孔重载主力 +纵向附加力控制;墩身控制截面最小应力 σ=-0.02MPa≥[σ0]=-0.72MPa,单线单孔轻载主力 +纵向附加力控制;最大偏心比 e/s=0.23≤[e/s]=0.6;最小稳定系数 K=10.2≥[K]=2。各项力学指标均满足铁路桥梁规范及有关技术标准的规定。

3.1.2 圆端形空心墩

墩身控制截面最大应力 σ=6.4MPa≤[σ0]=13 MPa,单线双孔重载主力 +纵向附加力控制、墩身控制截面最小应力 σ=0.98MPa≥[σ0]=-0.72 MPa,单线单孔重载主力 +纵向附加力控制;最大偏心比 e/s=0.29≤[e/s]=0.6;最小稳定系数 K=9.5≥[K]=2。各项力学指标均满足铁路桥梁规范及有关技术标准的规定。

3.1.3 矩形空心墩

墩身控制截面最大应力 σ=6.6MPa≤[σ0]=13 MPa,单线双孔重载主力 +纵向附加力控制、墩身控制截面最小应力 σ=1.1MPa≥[σ0]=-0.72MPa,单线单孔重载主力 +纵向附加力控制;最大偏心比 e/s=0.3≤[e/s]=0.6;最小稳定系数 K=6.8≥[K]=2。各项力学指标均满足铁路桥梁规范及有关技术标准的规定。