连续梁桥墩设计绘图系统开发研究

余兴胜,文望青

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

连续梁桥墩因上部结构超静定,其支反力影响线呈曲线变化,且各墩由梁部传递下来的水平力受桥墩刚度等多种因素的影响,水平力的分配和墩顶外力组合均比较复杂,给连续梁桥墩的设计带来较大困难。由于经济的发展、铁路标准的提高等多种因素,目前铁路桥梁中连续梁所占比例越来越大；同时,由于连续梁所在工点的差异性技术要求,很难编制连续梁桥墩通用图供设计使用。所以,如何高效设计连续梁桥墩成为迫切的现实需要。

目前对于连续梁桥墩的计算还没有成熟的方法或程序,各个项目均需单独投入人力进行研究,手工计算。设计者的理解和认识不同,也就存在不同的做法,不但造成时间和人力的浪费,还非常容易出现差错。当前简支梁桥墩绘图普遍采用参考图的模式,但参考图均采用手工绘制。连续梁桥墩因外力差别较大,不宜采用参考图形式,各工点须单独出图,每个桥墩都要进行墩身及基础检算、配筋检算,绘制墩身及基础大样图,墩身、垫石、承台和桩基钢筋图。当前高速、客运专线全线连续梁桥墩数量动辄上千,各工点间由于地质、墩高等的差异,桥墩不像梁部一样可以全线通用,图纸数量庞大,手工绘图耗时费力,须投入大量设计者,不同设计者的图纸也差别较大,整个设计出图周期长,严重制约供图。本文提供的方案,就是开发专用程序实现连续梁桥墩设计计算、配筋制图,以提高常用形式的连续梁桥墩设计效率。

2 墩顶水平力的计算

连续梁合龙后,桥墩在顺桥向要承受梁体收缩徐变、温度变化、列车制动(牵引)力、无缝线路纵向长钢轨力及地震力等作用。将连续梁及下部所有桥墩作为一个系统考虑,可以将这些作用概括为系统内力、系统外力两部分。梁体收缩徐变、温度变化等引起的桥墩受力简称“系统内力”,它们在各个桥墩上产生的力以梁体变形零点为中心对称分布,对外的合力为零。列车制动(牵引)力、无缝线路纵向长钢轨力和地震力等是通过梁体传递给各个桥墩的,简称“系统外力”,受力工况组合时可以在梁上将这些力组合后再分配给各个桥墩。

连续梁活动支座桥墩的墩顶纵向水平力计算时应考虑其“不活动”的情况,即各工况纵向水平力小于其支座静摩阻力时支座是不活动的,相当于固定支座。一般情况下,静摩阻系数可以取规范规定的上限值,残余摩阻系数取规范规定的下限值。组合计算时根据作用达到设定效应所需的时间长短分3组进行,梁体收缩徐变所需时间最长,所以最先考虑,梁体升、降温次之,这两组力为系统内力一般先行组合。制动(牵引)力、无缝线路纵向长钢轨力等系统外力,可以在梁上组合后再与系统内力的组合结果进行组合。前后组的力在组合时需分别按两组力同时作用和不同时作用考虑,即前一组力使活动支座达到静摩阻时,后一组力在支座滑移前(静摩阻)叠加或在滑移后(新的平衡后的残余摩阻)叠加。

2.1 梁体收缩徐变引起的水平力计算

对于梁体收缩徐变作用下引起的桥墩纵向水平力,为简化计算,把梁体收缩徐变换算为梁体结构整体降温。根据墩梁共同作用时,由各墩顶纵向水平力之和∑H=0,并略去梁体在水平力作用下的弹性变形后得

Tsi=Ki(δi+x)

(1)

(2)

∑[Ki(δi+x)]=0

(3)

式中Tsi——连续梁合龙后i号墩支座处收缩徐变产生的水平力；

δi——连续梁合龙后i号墩支座处收缩徐变产生的水平位移,计算时可按固定墩不动,根据各墩离固定墩的长度、梁体线膨胀系数和收缩徐变相当温度计算；

Ki——i号桥墩的纵向水平刚度,为考虑支座、墩身及基础的综合刚度,可在墩顶作用单位力,分别求出支座、墩身及基础的位移后叠加反求；

x——固定墩墩顶水平位移。

由上式计算出墩顶水平力,与恒载作用下支座摩阻力比较,如果某活动墩墩顶水平力大于支座摩阻力,则墩顶力即为支座摩阻力,该墩退出共同作用,固定墩与剩余未滑移墩重新分配,直至与计算体系一致,达到新的平衡。

2.2 梁体温度变化引起的水平力计算

考虑梁体升温、降温分别与收缩徐变产生的力组合,与收缩徐变同时作用时可直接相加后再分配。如果收缩徐变使活动支座滑移达到新的平衡,在计算梁体温度变化引起支反力时需考虑支座的残余摩阻力。先单独按升温或降温计算的水平力按上述梁体收缩徐变力的分配原则分配给各个支座后,与收缩徐变产生的力相加(滑移的活动支座为残余摩阻力),如果大于支座静摩阻力,则滑移,此时温度产生的力根据温度力与收缩徐变力的方向分两种情况：如果两者方向相同,即为摩阻力减去收缩徐变产生的力；如果方向相反,则为摩阻力加上收缩徐变产生的力。活动墩滑移后退出共同作用,固定墩与未滑移墩重新分配,直至与计算体系一致。如果活动墩均滑移,则固定墩取所有活动墩温度力之和的反力。

2.3 制动(牵引)力等系统外力引起的水平力计算

制动(牵引)力按全联加载的活载总重计算,无缝线路纵向长钢轨力需要计算连续梁及相邻跨上的长钢轨力,地震力可将恒载转换成质量按抗震规范计算。工况组合时一般先将系统外力在梁上组合以后再与系统内力组合。下面以制动(牵引)力为例说明系统外力的组合原则。

制动(牵引)力引起桥墩纵向水平力按桥墩刚度进行分配,即

(4)

式中F——梁上总水平力；

Ti——分配到i号墩的水平力。

制动(牵引)力与系统内力进行组合时分同时、不同时作用两种工况。“同时作用”表现为系统内力使活动支座刚达到静摩阻力,但尚未滑移达到新的平衡时,累加制动(牵引)力；“不同时作用”表现为系统内力已使支座滑移,系统达到新的平衡后再累加制动(牵引)力。

2.4 墩顶横桥向水平力计算

连续梁桥墩在横桥向受到离心力、摇摆力、列车和梁部风力、地震力等作用。横桥向离心力计算时,考虑到桥墩横向刚度较大,为简化计算,可以直接采用各支座活载反力计算离心力；在一般情况下,采用各支座恒载及活载反力转化成墩顶支点的质量,简化计算横桥向的地震力；风力可简化按左右跨半跨长范围的受风面积近似计算。

3 墩顶活载竖向支反力的计算

连续梁墩顶支反力在设计时可以采用连续梁梁部设计提供的各墩最大、最小支反力,这对于中墩设计是足够的,但对于边墩是不足的,因为边墩需要考虑邻跨活载对边墩产生的支反力。以往边墩支反力多简化采用两跨结构的最大或最小活载反力。经比较连续梁的边墩支点反力影响线,认为边墩双孔重载时可以将右边跨的正值面积移到左边跨,将左边跨当简支梁来计算(图1)。该原理计算比实际值略大一些,但比以往简化方法更精确。

图1 3跨连续梁边墩支反力影响线

4 墩身及基础配筋设计

铁路连续梁桥墩墩身截面形式一般多采用矩形、圆端形、圆形等,可按混凝土偏心受压构件或钢筋混凝土偏心受压构件计算。由于连续梁支反力较大,墩顶应检算局部承压,同时还需进行墩顶以下一定深度内的抗暴计算。承台一般按刚性角控制设计,必要时按受弯构件或撑杆-系杆体系计算承台底部受拉主筋。桩基计算及配筋采用铁四院编写的B89桩基计算程序。

配套以上计算原则而开发的连续梁桥墩绘图软件,实现了墩身及基础大样图,墩身、垫石、承台及桩基钢筋图的绘制,桥墩及基础的主要工程数量计算等功能。适用于圆端形、矩形(可以倒角)等常用截面形式桥墩,承台支持矩形、切角(直角、圆角)矩形等,可以设置加台。对于支撑垫石的钢筋配置,结合施工的工序和便捷性,并参照外方在高速铁路咨询的意见,在原设计习惯的基础上进行了改进完善。即在墩身施工时预埋竖向锚固筋,并预留垫石的施工凹槽；垫石顶面钢筋采用门筋反扣(不预埋),水平筋采用2根半封闭的钩筋形成封闭的箍筋。

5 程序流程图(图2)

图2 程序流程图

桥梁工程师为铁四院开发的轨道桥梁集成设计系统,设计者在做全桥设计时会输入连续梁梁部及其墩台基础数据,本系统可以与其数据共享,并将设计配筋数量结果传回桥梁工程师作全桥数量汇总。

6 结语

基于上述研究成果开发的连续梁桥墩设计绘图系统已广泛运用在设计工作中。项目因生产需求而立,以服务生产,提高设计效率为目标,项目的实施由生产需求控制。当前墩顶外力计算部分仅考虑了单线或双线情况,对于多线铁路桥墩还不适用；对于连续梁接连续梁、连续梁接桥台等的墩台计算功能还未实现；墩身配筋设计功能主要适用实体墩,对于空心墩等墩形还不适用。这些工作需要进一步补充和完善。

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