天津西南环线铁路钢横梁框架墩设计

2013-09-05商耀兆

铁道建筑 2013年1期

关键词：墩顶墩柱中心线

商耀兆

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 工程概况

天津铁路枢纽西南环线扩能改造工程是铁三院重点设计项目。本工点位于此项目的独流至南河上行联络线跨独流减河特大桥上，框架墩为跨越京沪铁路而设。联络线等级为国铁 I级，单线，设计速度160 km/h，采用单线简支T梁，梁跨16 m。

桥址处地震烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.15g，场地类别为Ⅲ类场地2区。地质土层主要由黏性土及砂类土组成，环境土在氯盐环境下对混凝土结构具氯盐侵蚀性，环境作用等级L1。

2 框架墩布置

上行联络线与京沪铁路交叉角度为6°～9°，京沪铁路此段为路堤，高约5m，要求净空≥7.56 m。

框架墩横梁的布置方式一般有与上跨线垂直和与下穿线垂直两种，与上跨线垂直布置有利于框架墩横梁上布置支座，但会增加框架墩横梁的跨度;与下穿线垂直布置能减小横梁跨度，但需注意支座至横梁边缘的距离，不满足规范时还要增设牛腿。

综合考虑以上因素，本工点采用框架墩横梁与上跨线垂直布置，但承台旋转一定角度，与下穿线路肩平行，平面布置示意如图1。

图1 框架墩平面布置

3 结构尺寸

由于联络线线路纵断面的限制，要求框架墩横梁高度≤2.2 m，所以采用钢横梁、钢筋混凝土墩柱的结构形式。

钢横梁采用单箱单室箱形截面，梁高为2.1 m，梁宽2.2 m。钢横梁腹板内侧设有竖向加劲肋及水平加劲肋。横梁内每隔2.0m左右设1道横隔板，并在支座位置设横隔板，隔板间设竖向加劲肋。框架墩立柱采用变截面，纵向均为2.0m，横向为2.0～2.5m变宽。结构如图2所示。

图2 框架墩立面布置(单位:cm)

4 结构计算

4.1 有限元模型

利用有限元程序MIDAS进行结构计算，墩柱及横梁用三维梁单元模拟，桩基础用弹簧模拟，由于框架墩上为简支梁跨，并且相邻桥墩高度相近，可以用单墩模型进行检算，空间模型如图3所示。

图3 单墩有限元模型

4.2 墩顶固结方式比选

根据施工方法的不同，墩顶固结方式一般分为先铰接后固结和一次固结两种。先铰接后固结是墩身混凝土浇至距离横梁底1 m时，在其上设置临时支撑垫石，钢横梁底设置临时钢板支座，架设框架墩钢横梁后先不浇筑墩顶连接段的微膨胀混凝土，而是架设上面的简支梁，钢横梁变形后再浇筑墩顶连接段混凝土形成永久固结。一次固结是常规的施工方法，架设钢横梁后直接浇筑墩顶连接段混凝土形成永久固结，然后再架设简支梁等。

两种施工方法各有优缺点，一次固结工序简单，施工方便，但墩柱顶的负弯矩较大;先铰接后固结工序相对繁琐，但能有效减小墩柱顶的负弯矩，减小墩柱截面及配筋量，经济优势明显。

线路中心线处于跨中附近与线路中心线处于梁端附近时的两种固结方式内力如表1、表2所示。

表1 线路中心线处于跨中附近时的内力 kN·m

由以上计算结果可见，当线路中心线处于跨中附近时，采用先铰接后固结的施工方法能有效减小墩柱顶负弯矩，并且横梁所受内力增加不大，较经济合理;而线路中心线处于横梁端部附近时，先铰接后固结施工的意义不大，可采用一次固结方式施工。

表2 线路中心线处于横梁端部附近时的内力 kN·m

本工点59#，66#，67#墩采用一次固结法施工，而60#～65#墩采用先铰接后固结的施工工序。

4.3 材料选取及控制指标

根据计算应力及环境侵蚀等级，钢横梁钢板采用Q345qD钢材，墩柱混凝土强度等级为C40，墩柱柱顶外包钢板内及钢横梁横隔板间采用C40微膨胀混凝土，承台及桩基础混凝土强度等级为C40。

钢横梁的基本容许应力需考虑板厚折减，轴向容许应力取190mPa;弯曲容许应力取轴向容许应力的1.05倍，即199.5mPa;容许剪应力取轴向容许应力的0.6倍，即114 MPa;端部承压容许应力取轴向容许应力的1.5倍，即285mPa。根据连接方式，疲劳容许应力幅取99.9 MPa。

经检算，在主力、主力+附加力、地震力组合等工况作用下，钢横梁及墩身强度均满足要求。

框架墩的位移控制值由规范规定的荷载工况计算，位移计算结果如表3所示。

表3 框架墩墩顶纵横向位移 mm

5 设计注意事项

1)墩顶与横梁的固结方式对结构受力影响较大，线位处于横梁跨中附近时选用先铰接后固结的施工工序，能有效减小墩柱顶负弯矩，使内力分布均匀，用材节约，经济合理。

2)框架墩为超静定结构，基础刚度对结构受力影响较大。如果输入的刚度偏大，会使墩柱及基础的受力偏大，而横梁的受力偏小，造成墩柱设计偏保守，横梁设计偏于不安全;如果输入的刚度偏小，结果恰恰相反。所以应根据地质资料及试算的基底反力，确定基础布置形式，算出接近实际的基础刚度，当然因果相互制约，有时需要反复调试。

3)应注意温度荷载的取值，混凝土构件的截面面积愈大则导热性愈差，所以除了受大气影响使整体升降温外，日照温差应加温度梯度;而钢梁的截面面积小、导热性好(约为混凝土的50倍)，日照温差按钢梁整体升降温即可。另外混凝土构件的温度取月平均气温，而钢梁应按极端温度加载。

4)钢横梁框架墩的墩柱为混凝土结构，横梁为钢结构，墩柱顶的结合部分应设置合理的连接构造。如设置连接钢板、剪力钉、微膨胀混凝土等。

5)钢构件的容许应力注意按板厚折减，局部稳定主要由规范对构件的宽厚比限值、加劲肋设置等规定保证，局部小构件可按欧拉应力控制。

6)钢横梁做为桥墩的一部分，其挠跨比规范未明确，笔者认为若按挠跨比控制，需考虑上部梁跨的变形，即考虑综合挠跨比。另外，也可将横梁挠度计入桥墩的竖向位移。