哈大客运专线铁路双线单圆柱桥墩设计

2012-11-27韩俊环

铁道标准设计 2012年5期

韩俊环

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

1 概述

哈大客运专线铁路多处跨越河流，在跨越河流时，采用常用的双线圆端形桥墩或矩形桥墩，墩型为半流线形及非流线形桥墩，会造成水流不畅。尤其是斜交角度较小的河流，阻水严重，造成局部冲刷很深，不仅对桥梁结构存在安全隐患，也不能满足水利部门对河道防洪的要求。为此，在哈大客运专线桥梁设计中，结合现场实际需要，提出了跨越河流采用双线单圆柱桥墩的设计思路。单圆柱桥墩为流线墩型，水文分析表明，斜交河流采用单圆柱桥墩可以有效缓解水流的干扰，减小冲刷深度。哈大客运专线铁路桥梁设计标准高，列车高速行驶时必须具有足够的安全性和舒适性，合理的桥墩刚度限值是单圆柱桥墩设计的关键。下面就单圆柱桥墩设计中一些问题进行简要探讨。

2 桥墩构造形式

2.1 墩身截面选择

为了实用性好、施工简便、易于养护维修，桥墩墩身按照不同高度，根据计算比较分别采用直径4.0 m直坡，适用于墩高12 m及以下;墩顶直径4.0 m、坡率n=15的圆形变截面，适用于墩高大于12～20 m。直、曲线上采用相同的桥墩截面尺寸。

2.2 顶帽尺寸拟定

高速铁路对桥梁结构整体美观有一定的要求，单圆柱桥墩一般用在某个工点的跨河部分，很少单独采用，顶帽在外形设计上，做到尽量与全桥采用的其他形式的桥墩顶帽相似，既保证了景观的协调，又保证了单圆柱墩自身的流线形。顶帽顺桥向宽度由3.2 m渐变为3.7 m，横桥向宽度为7.0 m，与墩身通过圆弧过渡相接，避免了以往单圆柱桥墩头重脚轻的感觉。注重细节设计，顶帽四角抹成0.5 m的圆角，顶帽上设置了排水坡。为便于支座的检查及维修工作，在墩顶设置进人凹槽。顶帽、托盘及墩身相互间不设飞檐。墩顶预留了顶梁、维修和更换支座位置。采用加高式支承垫石，梁底至墩顶按60 cm考虑。桥墩结构如图1所示。

图1 桥墩结构(单位:cm)

3 设计荷载

3.1 恒载

包括梁部结构自重、二期恒载、预加应力及基础变位等。

3.2 列车活载［1］

采用“ZK活载”，荷载图式见图2。

图2 ZK标准活载图式(一)(单位:m)

(1)设计加载时，活载图式可任意截取。对多符号影响线，活载图式可隔开，即在同符号影响线各区段进行加载，中间的异符号影响线区段不加载。根据ZK标准活载分别作用于每一条线，选定产生基底最大应力及最大偏心时的最不利荷载位置。双线荷载作用时按100%计，不予折减。

(2)顶帽和钢筋混凝土墩身结构考虑列车活载的动力作用。

(3)桥梁在曲线上时，应考虑列车竖向静活载产生的离心力。离心力的大小等于ZK静活载乘以系数C，C按下列公式进行计算

式中 V——设计速度，km/h;

R——曲线半径，m;

L——桥上曲线部分荷载长度，m;

f——荷载折减系数。当V＞300 km/h时，取V=300 km/h计算f值。当V≤120 km/h时，f值取1.0。当计算f值大于1.0时取1.0。

离心力按水平向外作用于轨顶以上1.8 m处。

(4)制动力或牵引力按列车竖向静活载的10%计算，但当与离心力或列车的竖向动力作用同时计算时，则按竖向静活载的7%计算。双线桥采用一线的制动力或牵引力。

(5)横向摇摆力取100 kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面。双线桥只计算任一线上的横向摇摆力。

3.3 无缝线路作用于墩台顶的纵向水平力［3］

无缝线路长钢轨伸缩力、挠曲力和断轨力引起的墩台顶纵向水平力，按梁轨共同作用进行计算，并作用于墩台上的支座中心处。断轨力为特殊荷载，只计1根钢轨的断轨力。

(1)无缝线路作用于桥墩顶的纵向力组合原则。

①同一股钢轨作用于墩顶的伸缩力、挠曲力和断轨力相互独立，不作叠加;

②伸缩力、挠曲力和断轨力不与同线的竖向活载、离心力、牵引力或制动力组合;

③伸缩力、挠曲力按主力考虑，断轨力按特殊荷载考虑。

(2)考虑无缝线路作用而增加的力的组合。

①主力(双线无车):恒载+4股钢轨作用于墩顶的伸缩力或车前挠曲力;

②主力+纵向附加力(一线有车、一线无车):恒载+活载+一线列车制动力或牵引力+另一线2股钢轨作用于墩顶的伸缩力或车前挠曲力+其他纵向附加力;

③主力+特殊荷载(双线无车):恒载+一线一股钢轨作用于墩顶的断轨力+另一股钢轨作用于墩顶的伸缩力+另一线2股钢轨作用在桥梁上的伸缩力或车前挠曲力;

④主力+特殊荷载(一线有车，一线无车):恒载+一线活载+另一线一股钢轨断轨力+另一线一股钢轨伸缩力。

4 墩顶水平线刚度确定

为满足无缝线路轨道的受力及行车舒适性，桥墩设计提出墩顶纵向水平线刚度限值要求。但规范上对于桥墩的横向刚度没有明确规定，设计时可按荷载作用下的桥墩横向水平位移差引起的相邻结构物桥面处轴线间的水平折角不超过1‰来控制。对于双线铁路，板式桥墩横向尺寸较大，一般纵向水平刚度控制设计，当桥墩不很高时横向水平刚度都能满足要求。双线单圆柱墩由于纵横向尺寸一致，相对其他墩型横向刚度较弱。较大的横向刚度，可以保证列车运行的安全性、舒适性和稳定性，确保桥上不出现过大的横向振动，减少桥上轨道的养护维修。故此，合理的桥墩刚度限值是单圆柱桥墩设计的关键。按照《高速铁路设计规范》，简支梁墩顶最小纵向水平线刚度 K最小(kN/cm·双线)必须满足表1要求。

表1 墩顶最小纵向水平线刚度限值［1］

墩顶水平总位移为墩身弹性水平位移、基础转动引起的墩顶水平位移及与基础位移三者之和。其他墩型的桥墩设计时按单位力墩身位移占单位力总位移的60% ～40%的拟定墩身尺寸［5，6］。圆形桥墩基础横向尺寸相对较小，横向抗位移能力较弱，如采取增大基础横向尺寸来提高横向总刚度，减小横向位移，基础尺寸会明显增大，工程造价高，技术不合理。经过计算分析，通过调整墩身尺寸满足总位移要求是最经济的办法。同时，双线单圆柱桥墩基本为跨越河流时采用，加大基础尺寸会带来桥墩局部冲刷加大，基础刚度会随之削弱。考虑以上2个因素，单圆柱桥墩设计时，确定合理的墩身位移占总位移的比值，才能使桥墩设计合理。根据哈大客运专线的单圆柱桥墩设计经验，确定墩身位移占总位移的比值不宜超过40%。

5 桥墩设计检算

5.1 顶帽

按照钢筋混凝土结构计算原理配置了满足强度所需的抗弯钢筋、抗剪斜筋及箍筋。

5.2 墩身

(1)实体混凝土桥墩按混凝土偏心受压构件计算。除墩身整体纵向稳定性和截面强度满足现行规范要求外，还应符合以下要求。

①墩身截面合力偏心距e要考虑弯矩增大系数的影响须符合下列规定:

主力 e≤0.5S;

主力+附加力 e≤0.5S;

主力+特殊力(无缝线路断轨力)e≤0.7S

S沿截面重心与合力作用点的连线上量取，自截面重心至该连线与截面外包轮廓线交点的距离。

②墩身外侧根据构造要求设置护面钢筋。

(2)钢筋混凝土桥墩按钢筋混凝土偏心受压构件计算。墩身裂缝宽度除按现行《铁路桥梁规范》办理外，还要满足耐久性要求。

(3)桥墩顶面弹性水平位移Δ按以下原则进行检算。

式中 L——桥梁跨度，m，当为不等跨时，L采用相邻跨中较小跨的跨度;

Δ——对应桥墩位置的桥面处横向水平位移，mm，包括由于墩身和基础弹性变形以及基底土弹性变形的影响。

横桥方向:按《京沪高速铁路设计暂行规定》，墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角应不大于1.0‰。按表2的要求控制对应桥墩位置的桥面处横向位移，即满足规范要求。

表2 横向位移限值 cm

5.3 地震力计算［4］

按照《铁路工程抗震设计规范》，采用反应谱理论对下部结构地震力加以计算。计算时把墩身简化为多质点体系，基础简化为弹簧作用在基底。计算顺桥向地震力时，将一孔梁作为一个质点作用于墩顶;计算横向地震力时考虑各墩共同分担梁体质量，梁体的地震力作用于梁高1/2处，计入50% 活载引起的地震力，作用于轨顶以上2 m处;同时还要考虑桥上无车时的情况。

在抗震构造措施上，考虑延性设计要求采取加强措施:混凝土实体桥墩配置护面钢筋，在连接部位加强箍筋设计;钢筋混凝土桥墩塑性铰区域加强箍筋配置，间距不大于10 cm，配箍率一般不低于配筋率的1/4，且不低于0.3%;墩身竖向钢筋深入基础底部并与底部钢筋连接。