商杭客运专线系杆拱桥墩设计

钱　光

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)



商杭客运专线系杆拱桥墩设计

钱光

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

摘要以商杭客运专线西苕溪特大桥主桥桥墩设计为例，对T形墩尺寸的拟定进行具体说明，给出采用先拱后梁施工方法施工T形桥墩的设计思路和设计方法。通过对施工阶段及成桥运营阶段外力作用下桥墩受力情况的计算分析，对桥墩的强度、刚度、稳定性、墩身偏心等进行详细检算。

关键词商杭铁路系杆拱T形墩先拱后梁

1桥址概况

商杭客运专线西苕溪特大桥位于浙江省湖州市吴兴区境内，本桥在DK707+116.58处与西苕溪左线特大桥采用双线共墩设计，在DK707+116.58以后为单线绕行地段，基础和桥墩分开设计，为单线桥，桥址于YDK710+153.4～YDK710+281处跨越长兴港。长兴港为重要通航河流，Ⅲ级航道，河道与线路大里程夹角为49°。要求通航净高7 m，净宽90 m，设计采用主跨140 m系杆拱一跨跨越长兴港方案。因航道管理部门要求施工期间需确保航道正常运行，无法采用满堂支架先梁后拱的常规施工方法。经研究，采用先拱后梁的施工方案，以满足通航要求。

桥址范围内地质情况主要为粉土、粉质黏土、粗角砾土、强风化凝灰岩，地基承载力为100～500 kPa。桥址范围内地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度6度，地震动反应谱特征周期为0.35 s，工程抗震设防类别为B类，抗震设防烈度为6度。主桥平立面如图1、图2所示。

图1　西苕溪右线特大桥主桥平面(单位：cm)

图2　西苕溪右线特大桥主桥立面(单位：cm)

2技术标准

设计速度：160 km/h。

线路情况：无砟轨道，单线。

线路平面：主桥位于曲线半径1 200 m的圆曲线上。

设计活载：ZK活载。

通航等级：Ⅲ级。

3桥墩设计

3.1尺寸确定

本桥主跨主要为跨越三级航道长兴港而设，系杆拱采用先拱后梁施工方法进行施工。施工阶段将产生较大的纵向水平力，且主桥桥墩高20 m，必然对墩身及基础产生较大的纵向弯矩，同时竖向力较小，桥墩截面可能成为大偏心受压构件，产生较大的拉应力。系杆拱梁的支座横向间距较简支梁大，为节约工程材料，桥墩采用横向对称的矩形实体墩。

系杆拱主梁梁端单侧最小伸缩缝要求为20 cm，简支梁单侧最小伸缩缝要求为5 cm，主桥位于曲线半径1 200 m的圆曲线上，通过对预制的简支梁梁端现浇部分桥面板来解决因曲线半径带来的两梁端间距过大的问题。简支梁、系杆拱梁端横向支座中心连线均与线路形成一定交角，桥墩尺寸拟定时必须在平面图上根据实际情况计算交角及横向偏距带来的影响。在平面图上按实际需要布置两侧梁的支承垫石，以此来确定满足规范相关构造要求的桥墩尺寸。

由于支座与桥墩的相对位置固定，桥墩两侧简支梁与系杆拱产生的竖向力相差较大，在恒载作用下，墩身将承受一定的弯矩。另外，在基础位置布置时，通过控制承台中心与桥墩质心的距离，避免基础在恒载状态下承受弯矩，使桩基设计更为经济合理。

综上所述，结合梁端影响、桥墩构造要求、设计安全、经济性等要求，确定简支梁侧墩顶截面尺寸为1.8 m×7 m，系杆拱侧墩顶截面尺寸为3.3 m×14 m，墩身竖向为直坡，简支梁侧桥墩设置0.2 m超高。桥墩结构如图3所示。

图3　主桥桥墩结构示意(单位：cm)

3.2施工阶段受力计算

施工阶段产生的水平推力可能使桥墩截面处于大偏心受压状态，这对结构极为不利。必须对施工阶段桥墩受力进行详细检算，确保按构造要求拟定的桥墩结构尺寸满足要求，以免后续设计引起桥墩尺寸的修改，影响设计过程。

本次设计通过桥梁博士计算软件建立主桥计算模型，对其各个施工阶段进行详细模拟计算。桥墩承受的主要施工阶段墩顶竖向力及水平推力见表1。

在主梁施工过程中，桥墩各截面主要承受施工荷载及其自重，为偏心受压构件。经计算，在各施工阶段产生的最大压应力为4.99 MPa，最大偏心矩e/S=0.53<0.7。结果表明，墩身处于小偏心受压状态，桥墩全截面受压，受力状况较好。说明拟定的桥墩结构尺寸能够满足施工阶段的受力要求。

3.3运营阶段受力计算

(1)设计荷载

本桥位于曲线上，墩顶外力主要有主力(列车活载、钢轨纵向伸缩力和挠曲力、横向摇摆力)、附加力(制动力、风力)、特殊荷载(列车脱轨荷载、船舶撞击力、地震力、钢轨断轨力)。

表1　主要施工阶段墩顶外力

注：墩顶水平推力方向正号表示背离主跨方向，负号表示指向主跨方向。

对于活载，按照简支梁桥墩最不利加载方式加载：单线加载，又分一孔重载、双孔重载、一孔轻载、双孔轻载、双孔空车、桥上无车。由于桥墩两侧为不等跨梁，还需分大小跨方向加载。最不利活载加载图示见图4。

图4　活载加载图示

制动力采用竖向净活载的10%，横向摇摆力，取值100 kN，作用于轨面。风压强度偏安全的取值为：有车时取1.25 MPa，无车时取2.25 MPa。伸缩力、断轨力数值通过建立轨道、桥梁有限元模型计算获得。地震力按单墩力学模型简化计算。

(2)荷载组合

按单线行车、桥上无车2种类型进行组合，每一类型中的荷载组合仅考虑纵向或横向一个方向上的附加荷载。地震力与单线行车活载组合，墩身护面钢筋根据地震力荷载工况确定。

(3)墩身检算结果

根据高速铁路设计规范相关要求，对桥墩强度、墩顶位移、偏心、纵向稳定性进行检算，最不利结果见表2。

表2　桥墩检算结果

在成桥运营阶段，主桥桥墩各截面在不同荷载组合作用下，其各项指标均能满足规范要求。

4结论

(1)采用先拱后梁法无支架施工方法，满足了对通航河道不断航或少断航的要求，具有很大的社会效益。

(2)系杆拱桥采用先拱后梁施工方法进行施工时，施工过程中将产生较大的水平推力，对桥墩会产生不利影响，需要采取一定的施工临时措施来减小水平推力，同时对墩身进行具体检算，使其满足相关规范要求。

(3)墩身尺寸拟定时，首先要考虑曲线半径对墩顶支座布置的影响，再根据相关构造及受力要求进行确定。同时应考虑施工方便性，对相似尺寸的桥墩进行合并设计，减少桥墩类型，以减少施工模板种类。

(4)桥墩应与基础综合考虑，一般应使上部结构恒载及墩身自重对基础中心产生的弯矩为零，使基础以上构件恒载对基础只产生竖向力。

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收稿日期：2016-02-18

作者简介：钱光(1984—)，男，2009年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学硕士，工程师。

文章编号：1672-7479(2016)03-0108-03

中图分类号：U442.5

文献标识码：B

Design of Tied arch Bridge Pier on Shangqiu-Hefei Passenger Dedicated Line

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