城际铁路双线圆端形实体桥墩设计研究

2013-04-16

铁道勘察 2013年2期

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

圆端形桥墩具有造型美观、阻水作用小等特点，是铁路桥梁的一种重要墩型。随着现代化铁路的大规模发展，圆端形桥墩也在不断改进，被广泛的应用于各条铁路建设中。目前时速250 km、350 km的部颁桥墩通用图均有专门的圆端形桥墩。城际铁路的一个重要特点是线路经常走行于经济发达地区，道路密集、人口稠密，这对桥墩设计提出了相应要求。首先，线路走行于道路中央分隔带中，为了减小分隔带宽度，桥墩横向尺寸不得过大；其次，城市附近景观要求较高，桥墩过于粗壮会显得不够美观。结合某城际铁路，对圆端形实体桥墩进行分析研究。

1　主要技术标准

铁路等级：城际铁路；

设计速度：200 km/h；

设计活载：ZC活载，即0.6UIC；

曲线半径：R≥2 000 m；

线间距：4.4 m；

动车组类型：CRH6型车；

轨道类型：无砟轨道、无缝线路。

2　总体设计

我国早期客货共线圆端形桥墩常采用的结构形式为圆端形墩身，矩形顶帽，托盘由圆形渐变为矩形。目前客运专线、城际铁路多采用圆端形墩身及圆端形顶帽及托盘，顶帽顶设置排水坡，顶帽与墩身间不设置飞檐。城际铁路一般采用整孔简支箱梁，箱梁梁端设置可供养护人员上下的槽口，为了方便养护人员工作，墩顶对应设置顺桥向的开槽，开槽深度为50 cm，墩顶至梁底高差为60 cm，即梁底至墩顶开槽高差为1.1 m左右，可基本保证人员检查、通过。墩顶设置吊篮，为养护人员提供工作平台。为了增加桥墩美观效果，桥墩正面设置了深10 cm、宽70 cm的开槽。

梁跨组合类型包括(31.5+31.5)m、(31.5+23.5)m、(23.5+23.5)m三种。三种跨度组合采用相同的桥墩尺寸，直、曲线上的桥墩亦采用相同尺寸。(31.5+23.5)m不等跨时按照恒载作用下墩身纵向弯矩为零原则，设置8 cm纵向预偏心，并对垫石位置进行相应移动。

桥墩墩身、顶帽采用C35混凝土，垫石采用C50混凝土(如图1所示)。

图1　墩高3.5～14 m桥墩构造(单位：cm)

3　顶帽平面尺寸的确定

顶帽平面尺寸应能满足垫石角点、下支座板到顶帽外缘的要求以及支座维修更换的要求。《高速铁路设计规范》[1]要求32 m简支梁对应支座垫板至顶帽外缘距离不小于35 cm。一般支座设计说明中也会对支座板至垫石边缘距离有最小限值要求，以满足垫石局部承压受力。支座的位置及吨位大小、尺寸根据梁部图纸确定，但桥梁位于曲线时，梁部按平分中矢法布置，此时支座相对于桥墩也有一定的旋转及移动。本线最小曲线半径2 000 m，根据最小曲线半径进行曲线计算布置，确定垫石尺寸为2.4 m×1 m。

支座维修更换主要考虑千斤顶位置及操作空间的要求。另外，对于预制梁而言，为了灌注支座底板与垫石间的无收缩高强材料，架梁时也需将箱梁临时支撑于顶帽千斤顶上，即安装支座时也存在顶梁过程。梁底至墩顶高差按60 cm设计，可以满足顶梁千斤顶高度。双线简支箱梁横向宽度较大，一般采用横向顶梁，如本项目双线简支箱梁横向底宽5.1 m。横向顶梁即千斤顶置于横桥向支承垫石内侧，一般不需对顶帽尺寸进行加大。单线箱梁由于横向宽度较小，如仍采用横向顶梁时，横向两侧千斤顶升降不同步时箱梁横向倾覆风险较大，故单线桥墩一般采用纵向顶梁，即千斤顶置于顺桥向垫石外侧。纵向顶梁时顶帽尺寸需适当加大，一般顶帽边缘至垫石边顺桥向距离应根据可能采用的千斤顶平面尺寸确定。

4　设计荷载

4.1　恒载及活载

恒载按照梁部设计图纸提供数值计算。活载为0.6UIC活载。墩顶帽计算时计入冲击系数影响，墩身计算时不计冲击系数。

4.2　离心力

离心力的大小等于1.35倍的竖向静活载乘以系数

式中v——设计速度/(km/h)；

R——曲线半径/m；

f—竖向活载折减系数。

离心力和竖向活载组合时考虑三种情况：

①不折减的ZC活载和按120 km/h速度计算的离心力(f=1.0)；

②折减的ZC活载和按设计速度计算的离心力(f<1.0)；

③不计离心力，按直线计入列车活载作用。

4.3　制动力或牵引力

城际铁路不同于一般高速铁路，线路常设置多个高架车站，从概率角度来说，高架站附近桥墩承受制动力或牵引力作用要比一般区间内桥梁更加频繁，故设计采用的制动力或牵引力较高速铁路设计规范有一定提高。参照其他规范[2]，按列车竖向静活载的15%计算，但当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，则按竖向静活载的10%计算。设计按墩顶设置一孔梁固定支座考虑，双线桥采用一线的制动力或牵引力。制动力或牵引力作用在轨顶以上2 m处，但计算桥墩时移至支座中心处，不计移动作用点所产生的力矩。

4.4　横向摇摆力

横向摇摆力按主力计，其值为100 kN，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。双线桥只计算任一线上的横向摇摆力，ZC活载作用下，空车时不考虑横向摇摆力。

4.5　无缝线路长钢轨纵向力

按桥墩位于无缝线路固定区设计。伸缩力、挠曲力按主力考虑，断轨力按特殊荷载考虑，均作用于支座中心。伸缩力、挠曲力、断轨力按轨道专业提供数值计算，不等跨简支梁的长钢轨纵向力按大跨取值。

4.6　列车脱轨荷载

列车脱轨荷载不计动力系数，设计按《高速铁路设计规范》加载。双线桥只计一线脱轨荷载，且另一线上不作用列车活载。

4.7　风荷载

设计偏安全取有车、无车时各部位风荷载强度为1.25 kPa、2.25 kPa。列车受风面积按3 m高的长方带计算，其作用点在轨顶以上2 m高度处。

4.8　荷载组合

(1)桥墩设计时，应仅考虑主力与一个方向(顺桥或横桥方向)的附加力相组合。

(2)ZC活载作用下，列车脱轨荷载与主力相组合，不与其他附加力组合。

(3)桥上无缝线路纵向力组合。

(4)考虑无缝线路作用而增加的荷载组合

4.9　墩身受力计算

(1)墩身受压时，桥墩整体纵向稳定性按《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》[3]计算

K×N

式中N——作用于桥墩支承垫石顶的轴向压力/kN；

K——安全系数，主力时K=2.0，主力+附加力时K=1.6；

Ncr——桥墩顺截面回转半径较小方向弯曲的纵向弯曲(屈曲)临界荷载/kN。

(2)墩身截面强度按《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》应满足

σ≤K×[σ]

式中K——系数，主力K=1.0；主力+附加力K=1.3；主力+特殊荷载(地震力除外)K=1.4；主力+地震力K=1.5。

σ——墩身任一检算截面上的压应力/MPa。当求得的最小应力为负值时，截面出现拉应力，应进行应力重分布计算，应力重分布后的最大压应力不得大于墩身的容许压应力。

[σ]——墩身偏(中)心受压的容许压应力/MPa。

5　桥墩纵向线刚度

桥墩纵横向线刚度是无缝线路铁路桥墩设计的重要指标。自《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》[4]发布以来，多部规范都对刚度做出要求。无缝线路暂规及时速250 km、350 km暂规[5-6]中要求双线32 m简支梁对应墩顶最小线刚度不小于400 kN/cm，现行高速铁路规范要求该刚度不小于350 kN/cm，略有降低。墩顶纵向水平刚度限值取决于两方面的因素：一是桥上钢轨的附加应力，二是制动力作用下梁轨相对位移的大小[1]。此二者均与列车运行速度相关，本项目最大时速为200 km，小于高速铁路规范的250～350 km/h的适用速度。

一般简支梁桥墩的通用设计面向多种不同基础形式及千变万化的地质情况，假定不同的基础及地质资料进行刚度计算，工作量过于庞大且不一定能够得到统计意义上的较优结果。根据常规做法，按照“桥墩自身墩顶位移”占“桥墩与基础引起墩顶总位移”比值的方式来确定桥墩自身的墩顶线刚度。本设计取桥墩位移占总位移40%，即桥墩墩顶线刚度不小于700 kN/cm。

6　折角计算原则

横向折角按照在ZC活载、横向摇摆力、离心力风力和温度作用下，墩顶横向水平位移引起的梁端水平折角不大于1.0‰弧度设计。即对于(31.5+31.5)m跨度组合时横向位移限值为16.35 mm。值得注意的是，在现行《铁路桥涵设计基本规范》[7]及时速250 km、350 km客专暂规中折角的计算模式是按照左右相邻桥墩零位移即中间桥墩绝对位移不得超限值的模式进行计算，而在现行《高速铁路规范》中为左右相邻桥墩发生位移即中间桥墩为相对位移的计算模式。前一种计算方法为将有关荷载按照最不利组合后作用于某个确定的桥墩，其横向总位移不得超过限值，而对于后者而言，则调整为将可能同时发生的荷载按最不利原则作用于相邻三个桥墩，当中间桥墩位移与两侧相邻桥墩位移差不大于限值时即可满足要求。前者的计算方式简便，但较为笼统、与实际情况存在一定差异，后者则符合了实际状态，但是计算时要分析可能同时发生的荷载，需对相邻桥墩的各种不利情况进行组合，计算较复杂。

7　车桥耦合分析

设计还选取代表性的墩高、基础形式、地层资料和典型工况对桥墩进行了车桥耦合分析。计算采用CRH6型车、阻尼比2%(如表1所示)。

表1　(6×32 m+24 m+5×32 m)墩高14 m曲线简支梁桥车桥动力分析结果汇总

分析结果表明，各工况下桥梁动力响应均满足要求；各车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求；列车行车安全性满足要求；列车的乘坐舒适度均达到“良好”标准以上。

8　顶帽实体分析

常规桥墩设计时控制墩颈尺寸的一个重要因素是支座位置。支座底板置于墩颈轮廓以内时，托盘顶帽受力以竖直受压为主，受力较为简单，托盘顶帽仅配置水平钢筋起局部承压作用即可。本设计墩身尺寸较小，出现了支座底板悬出墩颈范围的现象(如图2所示)。为了摸清此时顶帽受力状态，对顶帽进行了实体模型分析。

图2　支座悬出墩颈示意

根据实体模型分析结果及受力趋势分析，顶帽顶部开槽表面处存在较大的横桥向正应力，托盘横桥向两端存在一定竖向剪应力。

支座悬出墩颈，但悬出距离有限(小于50 cm)，此时顶帽受力不属于轴心受压，采用受弯构件理论计算也差异较大。根据无腹筋混凝土简支梁斜截面破坏试验研究结果[8]，当剪跨比小于1时，结构破坏形式为斜压破坏，即加载点与支点间出现斜裂缝。随着荷载增大，出现若干条大体平行的斜裂缝，类似于混凝土棱柱体被压坏的情况。本设计桥墩顶帽托盘高度为3.5 m，剪跨比小于1，故支座与托盘混凝土主要承受斜向压力，而顶帽顶面钢筋则承担拉力。配筋参照“撑杆-系杆”体系进行计算。另外，托盘顶帽内还配置了斜筋。