严寒地区铁路客运专线桥梁设计特点

2012-11-27尚海涛

铁道标准设计 2012年12期

尚海涛

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

1 概述

哈齐客专正线全长280.879 km，区间铺设Ⅰ型板式无砟轨道，设计时速250 km。哈齐客专正线新建桥梁30座，总长173.231 km，桥梁长度占线路长度的61.67%。哈齐客专沿途经过地区历年最冷月平均最低气温均在－17℃以下，历年极端最低气温低于最高气温近80℃，是我国高纬度严寒地区第一条铁路客运专线。

哈齐客专桥梁设计时，结合所处严寒地区的特点，首先进行梁型、梁跨选择和支座的选用，然后从结构安全和耐久性方面考虑，针对性地进行梁部防排水和墩台、基础的抗冻融设计，并兼顾桥梁附属设施的设计。另外，现场配合施工时提出相应的越冬保护措施。

2 梁部设计

铁路桥梁受到日照、温度、干湿循环等劣化作用，会导致强度与结构安全度降低。后张法预应力混凝土梁往往因注浆不饱满、混凝土泌水等原因导致结构冻裂或耐久性降低，而日照温差、突然降温又会导致梁部结构温度次内力和温度次应力的产生［1］。哈齐客专桥上采用无缝线路，梁轨的相互作用在日温差、年温差较大的严寒地区尤其明显。为减少桥梁病害的发生，降低养护维修工作量，应该结合线路所处的气候特征，选择合理的梁型。

2.1 桥型选择

哈齐客专简支梁采用整体刚度较大的双线整孔箱梁，增大梁体普通钢筋的保护层厚度，并采用耐低温新型防水层材料。考虑到总体工期和施工技术条件，采用标准跨度的后张法预应力混凝土简支梁，集中设置梁场，工厂化生产。尽量减少异形简支梁的使用，原因是:异形简支梁如果采用场地现浇，则预应力管道压浆、混凝土养护等施工质量难以保证;如果采用预制架设，则引起制梁成本增加，并影响架桥机架设作业，还带来一定的安全风险。

哈齐客专跨哈大高速公路特大桥，跨越高速公路原设计跨度40 m+56 m+40 m连续梁。后因高速公路规划拓宽，道路主管部门提出主跨跨度调整为64 m。为不影响两侧已施工的简支梁桥墩，且尽量满足原来的施组安排，修改设计时，将两侧各4孔32 m简支梁均调整为31 m简支梁。现场采用900 t架桥机，通过调整前后支腿间距，可以顺利地进行架梁作业。

在跨越立交道路、河流航道等控制工点时，预应力混凝土大跨度连续梁是常用的梁型选择之一。但位于严寒地区的连续梁结构，必须考虑无缝线路的梁轨作用问题。桥上无缝线路钢轨除受自身温度力作用之外，还受桥梁附加纵向力作用。桥梁伸缩位移和受弯变形都会使无缝线路钢轨产生附加力。附加力与线路纵向阻力、桥梁结构、桥梁材料和支座布置等因素有关，当桥梁温度跨度增加时，附加力增加明显。大跨度连续梁结构，因温度变化和列车荷载作用而产生的变形都比较大，钢轨附加力也较大［2］。根据以往的检算经验，温度跨度超过200 m时，为了保证轨道的安全性和稳定性，往往考虑设置钢轨伸缩调节器。因设置伸缩调节器地段不利于养护维修，应尽量避免采用。所以，哈齐客专采用的预应力混凝土连续梁梁跨主要有32 m+48 m+32 m、40 m+56 m+40 m、40 m+64 m+40 m、48 m+80 m+48 m、60 m+100 m+60 m 等。

严寒地区应尽量避免采用钢梁桥，除存在行车噪声大、养护维修繁琐等不利因素外，钢梁自身的收缩膨胀受温度变化的影响较混凝土梁明显［3］。哈齐客专沿线历年极端最高气温和最低气温差值近80℃，如果采用钢结构桥梁，极易产生病害。

2.2 支座和防水层设计

简支梁支座采用耐寒型的盆式橡胶支座，除满足维修和维护条件外，墩台结构应具备更换支座的条件［4］。承压板和密封圈采用耐寒性能更好的三元乙丙橡胶。其适用温度－40～60℃，比常用的氯丁橡胶耐低温15℃。

梁顶防水层对于严寒气候下的简支梁使用寿命和结构安全非常重要，哈齐客专桥面防水层，防撞墙外侧采用聚氨酯防水涂料，防撞墙内侧采用L类氯化聚乙烯防水卷材。考虑到沿线极端最低气温达到－39.3℃，明确要求防水层的低温弯折性不低于－40℃。

2.3 梁顶排水设计

无砟轨道箱梁梁顶，设置即时排水性能更好的六面坡。两线轨道底座板之间汇水利用线路纵坡纵向排出，不设或少设泄水孔，避免梁体内的纵向排水管冬季冻裂。

3 墩台设计

混凝土实体墩台在严寒气候条件下易发生冻融破坏，危及结构安全。哈齐客专桥梁墩台均在表面加设护面钢筋，提高混凝土的抗裂安全度。墩台身上部采用C35钢筋混凝土，墩台下部除考虑地表土和地下水的侵蚀性外，位于水中桥墩还根据判定的冻融等级提高了混凝土强度等级［4］，位于河流中的桥墩，另须考虑冰压力的作用［3］。

以下以松花江特大桥为例说明严寒气候条件河流中的冻融和冰压力作用下的桥墩设计。

哈齐客专松花江特大桥跨越松花江，松花江百年一遇设计流量Q1/100=17 900 m3/s，百年一遇洪水位120.78 m，常水位116.0 m。主桥梁部结构形式采用(77+3×156.8+77)m四线系杆拱连续梁，桥墩采用三柱之间用带V形挖孔的板连接成整体流线形。桥墩纵向与水流平行。松花江特大桥桥墩立面如图1所示。

图1 松花江特大桥主桥桥墩立面(单位:cm)

松花江特大桥主桥有5个桥墩位于主槽中，平均水深8.5 m。因为桥址位于严寒地区，松花江每年四月上旬有流冰，水中桥墩设计时须考虑冰压力的附加作用［2］。

根据松花江哈尔滨水文站提供的数据，松花江百年一遇流冰期最高水位116.56 m，最低水位111.33 m，百年一遇冰厚 1.7 m。最大流冰块长200 m，最大流冰块宽100 m。

作用于桥墩的冰荷载可分为:极限冰压力，冰堆整体推移的静压力，流冰冲击力，大面积冰层的静压力，冰盖层受温度影响膨胀时产生的静压力［3］。

根据计算，冰堆整体推移的静压力(同极限冰压力)对桥墩作用最大，控制桥墩横桥向钢筋布置;作为横向附加力，同时影响桩基上部配筋。

极限冰压力计算公式

式中 h——冰的厚度，取0.8倍的百年一遇冰厚;

b——桥墩在流冰水位上的宽度，即桥墩纵宽;

m——桥墩形状系数，因有破冰棱装置，按三角形取值;

Ry——冰的抗压极限强度;

A——地区系数，一般取1.0。

桥墩上游一侧设置破冰棱装置，顶部高于常水位1.5 m，墩身在破冰棱高度范围内不允许存在施工缝［3］。为提高结构主体抗冻融耐久性，增加钢筋保护层厚度，在墩身外包一层厚为15 cm的混凝土，强度等级与墩身混凝土相同，高度与破冰棱等高，外包混凝土与墩身关系见图2。破冰棱外包耐候钢钢板，兼做模板。

图2 松花江特大桥主桥桥墩平面(单位:cm)

4 基础设计

哈齐客专地处松嫩平原，沿线地形无较大起伏。历年最热月平均气温与最冷月平均气温温差在40℃左右，地表土壤为季节性冻土，最大冻结深度2.9 m。桥址区地下水位高，地表土多为含水量较大的黏土、粉质黏土等冻胀土，冻胀等级最强为Ⅴ级特强冻胀。根据哈尔滨铁路局各运营线上桥梁的病害特征，季节性冻土地区的桥梁病害多表现为基础冻胀拔起或因受力不均而使桥墩产生倾斜，以及基础顶部开裂等。典型的桥梁基础冻胀病害示意见图3。

图3 牙林线某桥桥墩冻胀隆起示意

避免此类病害的有效方式是将桥墩基础置于冻结线以下，《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)6.1.3条和8.3.8条规定，承台底面应位于冻结线以下不少于0.25 m［6］，但是基础埋置过深将增大施工难度并影响工程造价。所以，在满足规范的情况下，为降低工程造价，并为安全储备，有必要对桥墩基础承受的冻胀力进行检算［3］。

4.1 冻胀力的检算

季节性冻土地区，当基底位于最大季节冻深以下时，切向冻胀力检算公式

式中 N——基顶以上的荷重，主要为桥墩、梁部及轨道重力荷载;

C——基础自重以及襟边以上土柱重;

Qt——基础位于融化土层的摩擦力。Qt=St×At，其中St为承台侧面与冻融土的单位摩擦力，对黏性土一般采用20 kPa。At为基础(包括墩身入土部分)在冻融土层中的侧面积;

m‴——安全系数，对运营阶段的静定结构，取1.2;

T——承台包括墩身入土部分承受的切向冻胀力。T=Auτ+τ＇，其中 Au为 70% 冻深范围内基础和墩身侧面积，为有水时冰层中的墩身面积，τ为70%冻深范围内基础和墩身侧面的单位切向冻胀力，τ＇为冰层对墩身侧面的单位切向冻胀力。

哈齐客专桥梁均采用钻孔桩基础，为避免因为土的冻胀使承台底面承受向上的冻胀力造成桩基拉断或者拉裂，按照规范要求将承台底面置于冻结线下0.25 m以上。设计时对承台和墩身下部承受切向冻胀力均进行了抗拔和抗拉检算。检算时，均按最不利工况。承台的抗拔检算，选取本线墩高采用最小的实体矮墩(墩高1.0 m);桥墩抗拉检算，选取墩身截面最小，且桥墩入土最深的流线形桥墩。

4.2 基础及墩身下部混凝土的耐久性措施

根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB10005—2010)，根据地表水及地下水水位以及水、土的侵蚀性情况判定基础及墩身下部的冻融破坏等级，相应提高其混凝土强度等级，满足最低抗压强度。

大体积混凝土施工时，如采用高性能混凝土，往往因水胶比较小导致内部水化热过大，从而造成混凝土开裂。此时，通过调整混凝土配合比，减少胶凝材料的使用，可以有效降低混凝土内部的水化热。根据国内相关科研成果，在混凝土中掺加适量的引气剂，可以满足较高的抗冻融等级要求［4］。

松花江特大桥水中桥墩及承台，按耐久性设计规范判定其冻融破坏等级为D3，对应混凝土强度等级为C45［4］。主桥37号墩承台，尺寸为 19.6 m×40.8 m×5 m(长×宽×高)，混凝土共计3 998.4 m3。根据施工前的试验和计算显示，混凝土配合比中水胶比采用0.35时，水化热导致混凝土出现纵横向贯穿裂缝。为避免后续施工时出现温度裂缝影响结构的安全性和耐久性，需要确定合理的混凝土配合比，降低浇筑时产生的水化热。在混凝土中掺加5.8%的引气剂，水胶比调至0.38，通过了D3环境下的抗冻融循环试验。加上其他辅助措施，后期桥墩、承台施工时有效避免了温度裂缝的产生。

5 桥梁附属设计

(1)锥体填方和桥头缺口填方均以渗水土填筑，并严格夯实;在锥体内设置泄水管，避免积水造成冬季冻胀病害。泄水孔的进水侧应设置反滤层，用炉渣填充。

(2)考虑到美观性以及冬季维护的安全要求，墩顶不设或少设吊篮、围栏等检查装置，应采用悬臂式检查车检查维护支座。

(3)排水沟槽不宜采用浆砌片石，尽可能采用混凝土结构。

6 桥涵工程施工期间的越冬保护措施

因地处严寒地区，桥涵工程在施工期间的越冬保护措施非常重要，不加保护或者保护措施不当，有可能造成废弃工程。结合现场配合施工经验，总结相关注意事项如下。

6.1 梁部施工越冬措施

已经施工完成的简支梁、连续梁，应及时完成防水层、保护层等二期恒载的施工;有条件者，应该对桥面进行遮盖防护，防止阳光直接照晒。冬休期间，应有专人看守，及时清除梁顶覆雪。

6.2 墩台施工越冬措施

对于已经施工完成的墩台，须采取措施将支座预留孔封堵;对于已架梁但预留支座螺栓孔未灌浆的墩台，须按要求及时灌浆，避免冬季雨雪进入预留孔后引起顶帽冻胀破坏。

6.3 基坑施工越冬措施

已经开挖的基坑，应及时完成基础工程并按要求回填。如无条件完成，则应利用原状土回填，避免坑内积水、冻胀降低地基承载力。

6.4 其他

(1)位于河流中的桥墩及基础施工，入冬前应在上游一侧设置破冰棱装置，防止春节融冰时流冰破坏墩身结构和施工围堰等。

(2)桥涵工程预埋的螺栓、钢筋或观测标、接地端子等小构件，冬休期应采取有效措施防止其锈蚀和变形，并派专人管理，做好防火、防盗工作。

(3)已经施工完毕的涵洞、框构，应及时将上下游排水系统贯通，冬季期间涵内不得积水积雪，防止冻胀引起涵身破坏。入冬前涵洞内有积水的，应采取临时回填措施，排除洞内积水，确保涵洞不发生冻害，安全越冬。

(4)为避免冬季排水管道冻胀脱落或形成的冰柱影响铁路、公路行车安全，梁部已施工完成的跨越立交桥梁，跨线处梁部的排水管应进行封堵。

7 结语

铁路客运专线作为一个系统工程，桥梁工程是其重要的组成部分。设计时应根据所处的自然环境、气象条件等，选择合理的设计原则和设计方法。作为我国高纬度严寒地区的首条铁路客运专线，哈齐客专桥梁设计充分考虑了极端气温低、年温差大的气候特点。既关注结构主体，又兼顾附属设计。至今，哈齐客专桥梁基础施工已大部完成，梁部架设施工正在进行。

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