重载铁路大跨度预应力混凝土框架墩设计实例分析

张世基

(中铁工程设计咨询集团有限公司， 北京 100055)

重载铁路大跨度预应力混凝土框架墩设计实例分析

张世基

(中铁工程设计咨询集团有限公司， 北京 100055)

山西中南部铁路通道是我国第一条采用30 t轴重的重载铁路，某工点处与莱芜市汇河大道夹角只有16°。通过对跨越方案的综合比选，选用了横梁计算跨度为28 m的框架墩方案。结合工程实例，对框架墩进行整体计算和局部分析，拟定出重载作用下大跨度框架墩的合理尺寸，并对主要施工步骤及工艺进行了说明。

重载 大跨度 框架墩 设计实例

1 工程概况

山西中南部铁路通道是我国第一条采用30 t轴重的重载铁路，是横跨山西、河南、山东三省，并连接焦柳、京广、京九、京沪铁路干线的重要铁路运输通道，以煤炭、焦炭的运输为主，兼营客运，建成后将成为我国铁路运输的一条大动脉。线路在莱芜地区跨越S242之前，以汇河大道为界，向南为港里铁矿，向北为垂阳铁矿，两矿区之间安全通道最窄距离约195 m，铁路选线受限。经反复比选，线路首先跨过汇河大道，走行于远离崩落法采空区的汇河大道北侧安全廊道内。本方案绕避采空区，与汇河大道共通道，且绕避了港里村，拆迁实施难度小，有利于城市规划布局，符合地方政府意见，因而最终采用此方案。

2 框架墩平面布置及场区条件

汇河大道为市政道路，路面宽24 m，沥青路面，中间无绿化带，两侧为2.5 m宽人行道，受采空区及城市规划影响，铁路与汇河大道夹角只有16°。如采用混凝土连续梁方案，至少需要主跨为120 m的连续梁才能一跨跨越，中支点高9.6 m，边支点高5.6 m，中墩高16 m，边墩高20 m，非常不经济，简单比较后予以舍弃；经与地方交通部门多次协调，本处采用4孔32 m简支T梁跨越汇河大道，桥墩采用框架墩，墩柱占压了部分人行道，采取局部改移。桥址区属中软—中硬场地，类别为Ⅱ类，地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.45 s；地下水对混凝土结构具有硫酸盐侵蚀性，环境作用等级为H1。框架墩平面布置如图1所示。

图1 框架墩平面布置(单位：cm)

3 框架墩横梁形式比选

铁路桥框架墩横梁一般有两种，一种为钢横梁，一种为混凝土横梁，两种形式横梁均能满足各项设计指标，以87号墩为例(本文均以87号墩进行分析)，对两种横梁进行比较分析。

如采用钢横梁，横梁全长32 m，顶宽3.5 m，梁高3.7 m；经估算，整个横梁用钢量约为241 t。如采用混凝土横梁，考虑到跨度较大，本次设计采用箱形截面；横梁全长32 m，顶宽4.5 m，跨中梁高3.3 m；经估算，整个横梁混凝土用量为439 m3，预应力钢绞线约为29 t，普通钢筋约为65 t。

采用钢横梁方案，可先将各板材在工厂内生产，现场直接拼装，施工周期短，对桥下汇河大道影响较小，但钢横梁造价比较高，且后期养护维修工作量较大；采用混凝土横梁，需占用部分道路搭设临时支架，施工周期较长，但造价低；经与地方交通部门多次沟通，同意在路中设置临时支墩进行横梁现浇作业，施工完成后按原标准进行恢复；综合考虑造价、施工周期、交通部门意见、养护维修等方面，最终选用混凝土横梁。

4 结构尺寸

框架墩横梁跨中高3.3 m，支点处高4.3 m，顶宽4.5 m，顶板厚0.8 m，底板厚0.6 m；两墩柱高18 m，顺桥向3.5 m，横桥向3.0 m；承台顺桥向10.5 m，横桥向6.5m宽，厚3.0 m；左右两墩柱均采用6根1.5 m桩基。为避免横梁内外温差过大，在两侧腹板上设置直径为10 cm的通风孔，间距2 m左右；为避免横梁箱体内积水，在横梁底部中心设置外径为16 cm的PVC泄水孔，间距4 m左右。框架墩整体布置如图2所示。

图2 框架墩整体布置(单位：cm)

5 建筑材料

支承垫石及横梁采用C50混凝土，两墩柱采用C40混凝土，承台及桩基采用C35混凝土。

预应力钢束采用1x7-15.2-1860-GB/T5224-2003预应力钢绞线，圆形镀锌金属波纹管成孔，锚固体系采用自锚式拉丝体系。

普通钢筋采用HPB300和未经高压穿水处理过的HRB335、HRB400钢筋，其中HRB335、HRB400钢筋的化学成分C+Mn/6应小于或等于0.5%。

6 设计荷载

6.1 恒载

本设计主梁自重5 696 kN；二期恒载包括线路设备、道砟、人行道支架、步板、声屏障、电缆槽、现浇桥面板及横隔板湿接缝的重量，取169.24 kN/m。

左右立柱基础不均匀沉降按不大于1cm考虑。

6.2 活载

目前我国尚无重载铁路设计规范，山西中南部设计活载、动力系数、横向摇摆力等参数根据《山西中南部铁路通道设计活载标准及相关参数研究审查意见》采用，列车活载采用“中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)”，荷载图式如图3所示。

图3 中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)标准活载

根据审查意见，动力系数、牵引力和制动力系数仍按《铁路桥涵设计基本规范》公式采用；横向摇摆力、脱轨荷载的计算原则按《铁路桥涵设计基本规范》采用，荷载取值提高20%。离心力按《铁路桥涵设计基本规范》公式采用，作用位置取轨顶以上2.2 m。

6.3 附加力

风力、温度力、制动力均按《铁路桥涵设计基本规范》取值。

6.4 特殊荷载

经核实，此处采用“DFGT40/180型公铁两用架桥机及配套DY180型运梁车”进行运架梁，设计中采用对应荷载对框架墩进行检算。

7 结构计算

7.1 荷载组合

根据框架墩整体受力情况，设计时考虑以下10种荷载组合。

组合1：恒载+双线活载+横向摇摆力+支座变位；

组合2：恒载+双线活载+横向摇摆力+支座变位+风荷载+制动力+升温；

组合3：恒载+双线活载+横向摇摆力+支座变位+风荷载+制动力+降温；

组合4：恒载+外侧单线活载+横向摇摆力+支座变位；

组合5：恒载+外侧单线活载+横向摇摆力+支座变位+长钢轨力+风荷载+制动力+升温；

组合6：恒载+外侧单线活载+横向摇摆力+支座变位+长钢轨力+风荷载+制动力+降温；

组合7：恒载+内侧单线活载+横向摇摆力+支座变位；

组合8：恒载+内侧单线活载+横向摇摆力+支座变位+长钢轨力+风荷载+制动力+升温；

组合9：恒载+内侧单线活载+横向摇摆力+支座变位+长钢轨力+风荷载+制动力+降温；

组合10：恒载+长钢轨力+支座变位。

7.2 横梁计算

本设计框架墩横梁预应力计算采用PRBP进行计算，共分42个单元，划分单元如图4所示。

图4 单元划分

预应力钢束N1采用19-7φ5，N2～N7采用17-7φ5，锚下控制应力取0.72fpk左右；其中N1～N2钢束第一批进行张拉，N3～N7钢束第二批进行张拉。

7.3 计算结果

经检算，在运架梁工况下，对于横梁上缘，最大压应力为8.28 MPa，最小压应力为0.72 MPa；对于横梁下缘，混凝土最大压应力10.03 MPa，最小压应力3.92 MPa。施工阶段横梁上下缘最大、最小应力均满足规范要求。

运营状态下，横梁预应力计算结果如表1所示。

表1 框架墩横梁组合应力计算结果

从表1可以看出：主力工况下，对于横梁上缘，最大压应力为16.64 MPa，最小压应力为3.49 MPa；对于横梁下缘，混凝土最大压应力15.33 MPa，最小压应力3.26 MPa。运营阶段横梁上下缘最大、最小应力均满足规范要求。

运营状态下，框架墩强度安全数及出现的单元号如表2所示。

7.4 框架墩立柱计算

采用MIDAS计算两个墩柱各截面最大弯矩，各截面弯矩计算结果如表3所示。

表2 横梁正截面强度计算结果

表3 墩柱截面最大弯矩

根据各截面弯矩计算结果，墩柱与横梁相接的32、43截面弯矩最大，两墩柱主筋均采用32 mm钢筋，换算到主力工况下，钢筋最大应力为178.5 MPa，最大裂缝宽度为0.198 mm，均满足规范要求。

7.5 基础计算

承台满足刚性角，只配置构造钢筋；根据MIDAS整体模型计算的承台底反力，采用群桩计算程序计算基桩内力。经计算，左右墩柱均采用6根1.5 m桩基，左侧立柱桩长42 m，最大桩基内力为9 410.1 kN，右侧立柱桩长38 m，最大桩基内力为8 280.7 kN，均为主加附控制桩长。

7.6 局部应力分析

框架墩局部应力采用ANSYS软件进行，建立完整的框架墩模型，包括横梁、墩柱、承台。其中，实体部分采用solid45单元模拟，预应力筋采用link8单元模拟；荷载条件主要考虑框架墩自重、由支承垫石传递的上部结构恒载及活载，在承台底施加边界条件。

8 施工步骤

框架墩的施工步骤主要分为以下几步。

第一步：钻孔桩施工，支模现浇承台及墩柱。

第二步：待墩柱混凝土弹性模量达到90%，且养护时间不小于5天后，支架施工横梁混凝土。

施工前在支架上堆载不小于支架所承受最大施工荷载的110%进行预压，并实测支架的沉降和变形，以便提前设置预拱度，确保梁底高程符合规范要求，同时支架受力要能满足预应力张拉时结构压缩对支架产生的纵向力。

第三步：横梁混凝土强度达到设计值90%，且养护时间不小于5天后，张拉第一批预应力钢束，张拉完成后进行管道压浆，拆除横梁支架。

第四步：待管道压浆达到设计强度后，灌注支承垫石混凝土。

第五步：架设梁体。

第六步：梁体架设完成后，张拉批二批预应力钢束，钢束张拉后立即管道压浆，采用C50补偿收缩混凝土进行封锚。

第七步：现浇T梁湿接缝，施工桥面系。

[1] TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S]

[2] 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]

[3] TB10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[4] TB10002—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范[S]

[5] 铁建设函[2003]205号新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定[S]

[6] 中铁工程设计咨询集团有限公司.莱芜地区绕避采空区改线补充初步设计报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2012

[7] 孟庆涛.山西中南部铁路斜交刚构连续梁桥设计[J].铁道勘察，2013(5)

[8] 张明欣.大跨径框架墩在跨线桥中的应用[J].公路，2009(7)

[9] 田万俊.预应力混凝土框架墩设计研究[J].铁道标准设计，2003(8)

[10] 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.重载铁路发展概况[R].北京：中国铁道科学研究院，2011

[11] 胡国华.山西中南部铁路通道重载连续梁设计[J].铁道勘察，2012(3)

DesignExampleAnalysisofHeavyHaulRailwayLarge-SpanPrestressedConcreteFramePiers

ZHANG Shiji

2013-11-26

张世基(1981—)，男，2004年毕业于西南交通大学桥梁专业，工程师。

1672-7479(2014)01-0101-04

U442.5

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