郑焦城际跨济东高速公路特大桥(40+64+40)m连续梁桥墩设计

贾允祥

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京 100055)

1 工程概述

郑焦城际是郑州至焦作的一条设计时速250 km的双线城际铁路，设计活载采用ZK活载。铁路线与济东高速公路以63°夹角交叉，为了满足公路现状以及未来规划的要求，设计中采用1联(40+64+40)m连续梁跨越高速公路。连续梁位于直线线路上。

本桥范围内地质情况主要是粉土、粉质黏土、粉砂、细纱，地基承载力在120～300 kPa。桥址范围内地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震基本烈度7度，地震动反应谱特征周期为0.55 s，工程抗震设防类别为B类，抗震设防烈度为7度。土壤最大冻结深度0.29 m。

2 设计要点

根据本桥所处位置的线路纵断面、梁部结构高度、地面线资料、土壤最大冻结深度等数据确定桥墩高度，其中支座加支承垫石总高度边墩采用60 cm，中墩采用70 cm，另外由于所跨道路为填方道路，为了减少开挖深度、降低基坑防护难度、加快施工速度，中墩基础埋深应尽可能取小值，本桥基础顶埋深按0.2～0.5 m控制。根据本桥的地质资料情况确定基础采用桩基础。将本桥桥墩自左向右命名为1号墩～4号墩。桥型立面示意见图1。

图1 大桥立面示意(单位:cm)

2.1 设计荷载

本桥位于直线上，墩顶外力主要有主力(列车活载、钢轨纵向伸缩力和挠曲力、横向摇摆力)、附加力(制动力、风力)、特殊荷载(列车脱轨荷载、汽车撞击力、地震力、钢轨断轨力)。

对于1号墩、4号墩按照简支梁桥墩最不利加载方式加载:单线加载、双线加载，2种加载又分一孔重载、双孔重载、一孔轻载、双孔轻载、双孔空车、桥上无车。另外由于1号墩、4号墩两侧所接为不等跨梁，还需分大小跨方向加载。最不利活载加载图示见图2。

对于2号墩、3号墩，墩顶活载按最大支反力和最小支反力2种工况取不利情况控制设计。

图2 活载加载图示

双线活载作用按单线活载的2倍计算，不予折减，另外还应计及活载的动力效应。动力系数1+μ=0.18，式中 L为加载长度，对于本桥 L=φφ×1.3=62.4 m＜64 m，取 L=64 m，则 1+φμ=1.005。

制动力采用竖向净活载的10%，双线桥采用一线制动力。1号墩设置简支梁固定支座，简支梁制动力取整孔简支梁制动力的100%;4号墩上安置简支梁活动支座，简支梁制动力取整孔简支梁制动力的50%;1、2、4号墩设置连续梁活动支座，制动力按相邻两孔上制动力的25%计，3号墩设置连续梁固定支座，制动力取整联制动力的全部。活动支座承受的制动力还需与支座摩阻力进行比较，取大值控制设计。

横向摇摆力，取值100 kN，作用于轨面。仅计算任一线上的横向摇摆力。

列车脱轨荷载，不计动力系数。对于双线桥，仅考虑一线脱轨荷载，且另一线上不作用列车活载。

风压强度偏安全的取值，有车时取1.25 MPa，无车时取 2.25 MPa。

伸缩力、断轨力数值通过建立轨道、桥梁有限元模型，计算获得。计算模型示意见图3，轨道力计算数值见表1。

图3 轨道力计算模型示意

表1 一股钢轨轨道力数值 kN

地震力采用建立全桥模型，通过反应谱计算获得。地震力应分别按有车、无车进行计算，有车时，顺桥向不计活载引起的地震力，横桥向计入50%活载引起的地震力，作用于轨顶以上2 m处，活载竖向力按竖向净活载的100%计。

2.1.1 地震力计算模式比较

采用有限元模型进行反应谱计算，需要模拟基础的具体形式，计算过程中首先根据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)附录E所示的单墩简化计算模式计算地震力，确定桩基础的根数、直径、布置形式以及大致的桩长。采用单墩简化模式计算地震力时，对于1号墩、4号墩、2号墩墩顶换算质点的重力采用相应墩顶恒载端反力反算重力;3号墩设置固定支座，考虑到固定支座的作用，将1、2、4号墩连续梁恒载端反力反算重力总和的50%加上3号墩恒载端反力反算重力作为3号墩墩顶换算质点的重力。采用单墩简化计算与采用全桥反应谱计算所得的墩底截面地震力效应弯矩值比较见表2。

表2 墩底截面地震力弯矩值比较

从表2中可以看出，边墩采用2种计算模式的结果比较接近;3号墩考虑墩顶换算质点重力修正后的单墩简化计算结果与整桥反应谱计算结果比较接近;因此对于边墩以及连续梁制动墩来说，采用简化算法可以为整桥反应谱计算提供比较准确的基础尺寸，从而可简化整桥反应谱计算试算基础尺寸的计算过程，并能在一定程度上校核整桥反应谱计算结果的准确性。2号墩2种计算模式的结果没有可比性，但2号墩、3号墩整桥反应谱计算模式下横向地震力比较接近，由此可以采用制动墩横向地震力工况估算连续梁非制动中墩的基础尺寸。

因此，在初步确定基础具体形式时，对边墩不做墩顶换算质点重力修正直接采用单墩简化模式计算地震力;对中墩墩顶换算质点重力修正后采用单墩简化模式计算地震力，纵向地震力工况用于估算制动墩中墩的基础尺寸，横向地震力工况用于估算非制动墩中墩的基础尺寸。

2.1.2 荷载组合

各项外力计算完毕后，进行外力组合。组合时分双线行车、单线行车、桥上无车3种类型进行组合，每一类型中的荷载组合仅考虑纵向或横向一个方向上的附加荷载。地震力与活载组合时仅考虑单线行车的情况，墩身护面钢筋根据地震力荷载工况确定。

2.2 桥墩构造

2.2.1 墩身尺寸拟定

本桥各桥墩高度均小于10 m，为了方便施工，各墩外轮廓均设为直坡式。另外为了减少桥墩施工模板种类，桥墩外轮廓应尽量采用本工程中其他桥墩相似的外轮廓。本桥桥墩外轮廓尺寸，中墩墩身尺寸采用3.6 m×8 m(纵桥向尺寸×横桥向尺寸)，不设托盘，顶帽尺寸与墩身尺寸相同，圆端直径采用3.6 m;边墩墩身尺寸采用2.8 m×6.6 m(纵桥向尺寸×横桥向尺寸)，顶帽尺寸采用3.8 m×8 m(纵桥向尺寸×横桥向尺寸)，顶帽高度采用0.25 m，托盘高度采用2.75 m，顶帽不设置飞檐，为了美观，托盘外轮廓采用圆弧曲面，顶帽圆端直径采用3.8 m。顶帽尺寸最小要满足安放支承垫石的需要，为了提高墩身受力的合理性，墩身外轮廓应不小于支座外边缘连线的轮廓线。桥墩结构示意见图4、图5。

图4 边墩结构示意(单位:cm)

图5 中墩结构示意(单位:cm)

2.2.2 支座布置

通常情况下将高度小的中墩设置为制动墩放置固定支座，本桥2号墩、3号墩高度相同，将位于下坡端的3号墩设置为制动墩。1号墩、2号墩、4号墩设置连续梁活动支座，1号墩设置简支梁固定支座，4号墩设置简支梁活动支座。

2.2.3 设置纵向预偏心

1号墩、4号墩根据所接简支梁、连续梁恒载反力以及支座中心至梁端的距离确定需向连续梁方向设置预偏心5 cm。

2.3 墩身检算

根据相关规范要求，桥墩需检算偏心、强度、墩顶位移、沉降，本桥检算结果见表3。

表3 桥墩检算结果

表3中墩顶位移包括由于墩身和基础的弹性变形，以及基底土弹性变形的影响。本线为有砟轨道，桥墩均匀沉降应不大于30 mm;相邻桥墩沉降差应不大于15 mm。

连续梁断轨力一般情况下比常规简支梁桥墩的要大，在拟定墩身尺寸时，对断轨力荷载组合工况下墩身偏心的检算要优先进行，以免引起墩身尺寸的修改，影响设计过程。

3 结论

进行连续梁桥墩的设计时，墩身尺寸的拟定除满足受力以及规范中关于构造尺寸的要求外，还应考虑施工方便性，对相似尺寸的桥墩进行合并设计，以减少桥墩类型、减少桥墩施工模板种类。对于地震力控制设计的连续梁桥墩，可以采用简支梁单墩地震力简化算法估算基础尺寸，并以此尺寸作为初始尺寸建立全桥模型进行精确计算。对于中墩采用全桥反应谱计算所得的地震力进行设计;对于边墩应比较全桥反应谱计算所得的地震力与单墩模型简化计算所得地震力，取不利情况进行设计。采用简化计算方法计算地震力时，对制动墩墩顶换算质点重力的修正可以采用增加各非制动墩墩顶恒载反力反算重力总和的50%的方法，其计算结果可以满足估算制动墩基础大致形式以及校核整桥反应谱计算结果准确性的需要，通过简化算法得到的制动墩中墩地震力荷载中，纵向地震力工况用于估算制动墩中墩基础尺寸，横向地震力工况用于估算非制动墩中墩的基础尺寸。

［1］铁道部第三勘测设计院.铁路工程设计技术手册 桥梁设计通用资料［M］.北京:中国铁道出版社，1994.

［2］铁道部第四勘测设计院.铁路工程设计技术手册 桥梁墩台［M］.北京:中国铁道出版社，1997.

［3］铁道第三勘测设计院.铁路工程设计技术手册桥涵地基和基础［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［4］中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］中华人民共和国铁道部.TB10002.4—2005，铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005，铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［7］中华人民共和国铁道部.TB10621—2009，高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［8］中华人民共和国建设部.GB50111—2006，铁路工程抗震设计规范(2009年版)［S］.北京:中国计划出版社，2009.