设置无缝线路固定端刺桥梁结构设计

蔡建业　李　园

(1.中铁第四勘察设计院， 湖北武汉　430063； 2.扬州市市政建设处， 江苏扬州　225002)

1　工程概况

海航特大桥石大路段位于浙江省杭州市境内，主要跨越规划世纪大道、笕丁路、沪杭铁路、石大路等，全长6 312 m。线路主要技术条件如下。

铁路等级：客运专线；

正线数目：双线；

设计速度：350 km/h；

正线线间距：5.0 m；

设计活载：ZK活载；

轨道结构：CRTSⅡ型板式无碴轨道。

运营需要连续的CRTSⅡ板式无砟轨道在桥上断开，为保证纵向连续的轨道稳定，CRTSⅡ板式无砟轨道在某跨梁两端设置固定端刺，无砟轨道板与梁体浇筑一体，以此将轨道由于温度变化产生的强大的纵向力传递给桥梁结构，具体技术要求如下。

(1)梁部承受轨道纵向力

降温工况下：7.48 MN；

升温工况下：10.6 MN。

(2)桥梁纵向位移

在上述纵向力作用下，桥梁纵向位移不大于3 mm。

2　桥梁结构设计

2.1　上部结构设计

原设计海航特大桥184号墩、185号墩之间设置32 m简支箱梁，梁高3.05 m，桥墩采用圆端形墩身，墩高14 m，桥跨布置如图1。因184号墩、185号墩之间的简支梁上设置固定端刺，且184号墩、185号墩的墩身、承台、桩基已经施工完工，依据理论分析，采用184号墩、185号墩之间的简支梁不架设，保留184号墩、185号墩墩身及其桩基，新建挖孔桩，整体墩身及现浇梁体组成新的桥梁结构，具体结构形式及尺寸见图2。

图1　桥跨布置(单位：cm)

图2　新结构轮廓(单位：cm)

2.2　基础设计

原基础采用12-φ1.00 m钻孔桩，桩长分别为53 m、54.5 m，承台厚2.5 m。现采用在既有桩基周边新增31-φ2.50 m钻孔桩，桩长57 m嵌入弱分化凝灰岩，承台厚5 m，新建承台将既有承台包围在内，新建承台及桩基布置见图2。

3　计算模型

3.1　有限元计算模型

采用ANSYS建立实体模型(图3)，梁体、墩身、承台、桩基均采用SOLID65单元，具体材料参数见表1。根据TB 10002.3—2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》规定，计算墩身变形时需对材料弹性模量进行0.8倍折减。

桩土相互作用采用土弹簧法进行模拟，采用了以下假定：(1)在同一水平层土壤为各向同性线弹性体；(2)侧向土的性质在2个正交方向彼此无关；(3)土壤的抗力在轴向、侧向和扭转方向是不耦合的，且属于小位移问题；(4)用等待土弹簧来反应土层的恢复力，其刚度用“m”法计算。土弹簧采用link11单元模拟，采用“m”法计算土弹簧刚度系数K值(见表2)。

表1　材料参数

边界条件：桩底嵌入凝灰岩，模拟为固结。

表2　土弹簧刚度系数K值

图3　有限元模型

3.2　计算荷载

根据结构实际受力情况确定如下主要计算荷载。

(1)ZK荷载；

(2)二期恒载：155 kN/m；

(3)纵向力：10.6/7.48 kN；

(4)集中力：10.963 kN，分布荷载：5.613 kN；

(5)相邻梁端竖向荷载(梁重+二恒+ZK荷载)：9 501.6 kN、8 797.4 kN。

4　计算结果及分析

4.1　结构纵向变形计算结果

在最不利荷载工况下，桥梁结构整体纵向变形最大值2.98 mm，位于梁体端刺锚固区(见图4)，满足桥梁纵向位移不大于3 mm规定。

图4　整体纵向变形(单位：m)

4.2　应力计算结果

应力计算结果(最不利荷载工况)：

梁体主拉应力最大值1.76 MPa，位于端刺锚固区，其他区域最大主拉应力值均小于0.9 MPa，见图5。

图5　梁体主拉应力

墩身主拉应力最大值1.35 MPa，位于梁与墩固结梁端部墩顶，其他区域基本受压，见图6。

图6　墩身主拉应力

承台主拉应力最大值2.47 MPa，位于图中深色部分，其他区域最大主拉应力值均小于0.8 MPa，见图7。

图7　承台主拉应力

4.3　配筋

梁体、墩身最大主拉应力1.76 MPa，满足规范表5.2.1条有箍筋及斜筋时的主拉应力限值要求，根据主拉应力云图进行配筋计算，梁体除梁顶端刺锚固区纵向采用φ25钢筋，间距10 cm，其他部位均采用构造配筋，局部位置构造钢筋加强。

承台最大主拉应力2.47 MPa，位于承台底部深色区域。通过计算，承台底深色区域需采用φ25双筋，间距10 cm。

新增31-φ2.50 m钻孔桩，所有钢筋均采用Q235钢筋。通过计算，需布置52根φ25钢筋。

5　施工方法

在既有184墩～185墩之间设计固定端刺结构，固定端刺结构由桩基、承台、墩身以及现浇梁组成，施工顺序如下：

①既有184墩、185墩的墩身、承台以及桩基均保留，两墩之间的32 m简支箱梁不架设。

②在既有桩基周边增加钻孔桩，再新建整体承台。新建承台的底面较既有承台底面下降0.7 m，新建承台顶面较既有承台顶面升高0.8 m，新建承台将既有承台围包在内，清除既有承台底面以下0.7 m范围内泥土，保护好既有桩基。在既有承台的顶面及四周利用化学植筋工法，钻孔、植筋再加涂E200界面剂，使新、旧混凝土牢固结合形成整体。

③新建承台以上为墩身，其两端与既有墩身结合。为使新、旧墩身的牢固结合，仍选用化学植筋工法，钻孔、植筋并加涂E200界面剂。

④墩身以上为现浇梁，现浇梁不安装支座。现浇梁的周边外形与本线32 m简支箱梁基本一致，由于不安装支座，因此梁的高度稍大于简支箱梁。翼板尺寸与简支箱梁等同，顶板、腹板均取较厚尺寸，以保证固定轨道板预埋钢筋的锚固深度。不设置预应力筋，不设底板，腹板钢筋锚固于墩身内。梁面上也就是桥面上预埋剪力齿槽，剪力齿槽紧跟梁端硬泡沫塑料板布置，每端4排，双线铁路四个梁端共设置16排。

6　结束语

通过对设置无缝线路固定端刺桥梁结构空间计算设计表明：

①结构在承受轨道设计纵向力最大值10.6 MN的情况下，桥面位移量为2.98 mm，满足设计要求。

②应用有限元法得到非杆件结构的弹性应力图形后求得配筋，保证结构配筋的合理。

③应用有限元法精确计算出每根桩基顶外力，保证了桩基、承台设计的准确与合理性。

目前，设置无缝线路固定端刺桥梁结构已建成通车，运营情况良好。

[1]TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]

[2]叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2007

[3]孙训方,方孝淑,等.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1998

[4]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京：清华大学出版社，2003