重载铁路桥台设计

2012-01-22严章荣

铁道标准设计 2012年9期

严章荣

(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 国内外重载铁路发展概况

自1984年重载铁路运输协会成立以来,重载铁路运输技术在越来越多的国家得到发展,美国,加拿大、德国、俄罗斯等国家都在积极地推进重载铁路运输,其中提高轴重作为重载列车运行成本的最有效措施得到各国的普遍采纳,美国、加拿大、澳大利亚等国家的最大列车轴重已经达到35 t以上。2005年国际重载运输协会(IHHA)的巴西年会上,已经对重载运输做了新的修订,重载列车牵引质量至少达到8 000 t(以前为5 000 t)：轴重(或计划轴重)为27 t及以上(以前为25 t),在至少150 km线路区段上年运量超过4 000万t(以前为2 000万t)[1]。近年来,我国加快了重载铁路的发展,在各项铁路技术方面做了大量研究,包括引进国外的大功率机车、同步操纵等技术,我国采用的轴重为25 t的重载列车,目前正在大秦线及铁路集疏运系统运用,根据新的重载铁路的定义,我国在年运量和牵引质量方面符合国际重载运输协会的对重载铁路运输新定义,在轴重方面已经开始研究25 t及以上轴重重载铁路,我国重载铁路与国外重载铁路特点对比,见表1。

表1 国内外重载铁路特点对比

山西中南部铁路通道为我国首条采用30 t轴重活载设计的重载铁路,为我国的重载铁路的发展迈出了重要步伐,同时也对重载铁路桥梁结构提出了众多技术难题,研究设计重载铁路桥梁配套的桥台结构尤为必要。

2 重载铁路桥台设计研究

2.1 设计概述

桥台是位于桥梁两端并与路基相连接的支承上部结构和承受桥头填土侧压力的构造物。其功能主要传递桥梁上部结构的荷载到基础、抵挡台后土压力、稳定桥头路基、使桥头线路和桥上线路可靠平稳地连接。目前我国高速铁路和普速铁路桥梁普遍采用一字形桥台和T形桥台、矩形桥台[2-4]。

重载铁路具有轴重大、列车较长、牵引力及制动力大、货运量大、列车横向摇摆力大等特点,山西中南部铁路采用的“ZH活载”[5]比普通铁路 “中-活载”、客运专线采用的“ZK活载”大得多。相对普通“中-活载”而言,列车轴重的增大,引起台后土压力增加,桥台顶列车活载提高10%左右,台顶道砟槽板应力增加,台身应力及偏心也相应增大,由于列车横向摇摆力及脱轨荷载的增加,台身位移增大,对桥台结构强度及刚度均产生影响。

2.2 设计标准

(1)设计速度：120 km/h。

(2)按双线直曲线、平坡设计,最小曲线半径800 m；双线,线间距4.0～5.0 m。

(3)桥台按填土高5～12 m,入土深0～2 m。

(4)地震设计按地震动峰值加速度分2种：Ag≤0.15g(7度及以下地震区)；0.15g

(5)设计对应梁部跨度：32、24、20、16 m等简支T梁。

2.3 设计荷载

(1)活载模式：山西中南部铁路通道采用“ZH活载”,Z=1.2,见图1。

动力系数按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.3.5条计算,即:1+μ=1+12/(30+L)，其中,L为计算跨度,双线竖向活载为两线活载总和的90%[6]。

图1 “ZH活载”图示(单位：m)

(2)恒载：梁重(包括防水层和保护层)、二期恒载重等。

(3)离心力仍采用《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)中的4.3.6条计算,但离心力的作用位置取轨顶以上2.2 m[7]。

(4)横向摇摆力取120 kN[7],作为一个集中活载作用于桥梁结构最不利位置,其作用点在垂直线路中心线的钢轨顶面,对于双线桥只取一线上的横向摇摆力[6]。

(5)牵引力和制动力应按列车竖向静活载的10%计算,当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时,制动力或牵引力应按竖向静活载的7%计算,双线桥应采用一线的制动力或牵引力。

(6)列车脱轨荷载不计动力系数,设计按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)两种情况加载,并在其基础上提高一定安全储备,提高系数为1.2倍[7]。

(7)土压力、风力按照《铁路桥涵设计基本规范》进行计算,轨道力按照《新建铁路无缝线路设计暂行规定》(铁建设[2003]201号)选用和计算。

(8)地震力:①桥台的地震作用按设计地震采用静力法计算,且应分别计算顺桥向、横桥向的水平地震作用。②双线桥只考虑单线活荷载。③梁体质量作用于桥台的水平地震力在顺桥向、横桥向分别按1孔梁重的100%、50%计,水平地震力顺桥向作用在支座中心,横桥向作用于梁高的1/2处[8]。④设计不计台前地震土压力,破坏棱体上列车活载产生的地震土压力同非地震区。

2.4 桥台台身检算

根据设计采用的“ZH活载”,对台身结构应力、偏心以及稳定性进行检算,检算荷载模式见图1,设计按单线行车、双线行车分别加载,2种加载均包含表2中各活载图式。

(1)桥台截面偏心

在各种荷载组合作用下,桥台截面上的合力偏心矩e应满足：①主力e≤0.5S；②主力+附加力e≤0.6S；③主力+施工荷载e≤0.7S；④主力+特殊荷载e≤0.8S。其中S为沿截面与合力作用线,重心至该连线与截面外包轮廓线的交点距[9]。

表2 各活载图式

(2)台身强度检算

式中σ——墩台任一检算截面上的压应力,MPa；

N——作用于台顶处的轴向压力,103kPa；

G——检算截面以上顺桥向的自重,103kPa；

ηx、ηy——检算截面处上的弯矩增大系数；

Mx、My——检算截面上对重心轴x和y的弯矩,MN·m；

x、y——检算截面上最大应力点和最小应力点的坐标,m；

A——检算截面面积，m2；

[σ]——桥台的容许压应力,MPa[10]。

2.5 桥台结构设计

矩形空心桥台的基本结构为2个单线T形桥台组合,将台身作为空心桥台肋板,肋板中心距取两线的线间距,有利于列车活载的有效传递。桥台道砟槽板及垫石布置根据线路线间距进行调整,桥台横向宽度分为3级,见表3。

表3 桥台横向尺寸

这样保证了桥台的整体性能,也节省了圬工量。在台内空心部分底部填黏土至高于地面10 cm处,斜向对称设置2根φ15 cm泄水管,确保台内不积水。7度以上地震区根据地震动峰值设置防落梁挡块。桥台台高小于6 m时,于桥台胸墙前设置爬梯预留桥台检修通道,台高大于6 m时，台顶设置检查梯预留检修通道。

桥台高度H≤600 cm时,桥台长度L=H·n1+75-b(cm)；H>600 cm时,L=(H-600)n1+(H-600)n2+75-b(cm)。H为桥台高度(一般台高不大于1 200 cm),6度及7度地震区时n1=1,n2=1.25,8度地震区时n1=1.25,n2=1.5,桥台结构见图2。

图2 桥台结构(单位：cm)

矩形空心桥台台顶道砟槽板及桥台顶帽采用C35混凝土,垫石选用C50混凝土,台身选用C30混凝土,桥台空心结构内部设置检查内部检查梯、防护门，以备运营阶段对台身结构进行检查。桥台锥体内填筑渗水土,锥体填土基本稳定后进行锥体坡面铺砌,护坡及石裙采用浆砌片石结构,并在锥体护坡范围布设φ=0.1 m的泄水孔,其间距不大于1.5 m,桥台结构见图3、图4。