高速铁路(60+100+60)m连续梁桥墩设计

任　逵　邹永伟　石鲁宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



高速铁路(60+100+60)m连续梁桥墩设计

任逵邹永伟石鲁宁

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要介绍高速铁路(60+100+60) m连续梁桥墩通用图的设计与计算。

关键词高速铁路连续梁桥墩设计通用图

目前，我国高速铁路运营里程超过1.9万km，位居世界第一。其中桥梁所占比例大，当跨越高等级公路、铁路、繁忙干道，常用跨度简支梁无法满足跨越条件要求时，应首先考虑预应力混凝土大跨连续梁。连续梁占桥梁的比重也越来越大。简支梁桥墩已编制通用图，常用跨度的连续梁桥墩通用图的编制势在必行。受铁科院委托，对高速铁路(60+100+60) m连续梁桥墩通用图进行设计计算。

1主要技术标准及适用范围

设计速度：350 km/h。

线路情况：双线，直、曲线，线间距5.0 m，最小曲线半径5 500 m。

轨道结构形式：无砟轨道。

设计跨度及配合的梁图：(60+100+60) m连续梁，配跨32 m简支梁(如表1)。

表1　配套梁参数

支座类型：符合“通桥(2007)8360”、“TJQZ-通桥8361”支座安装尺寸的盆式橡胶支座、球形钢支座。

环境类别及作用等级：一般大气条件下，环境类别为碳化环境，环境作用等级为T2。

设计使用年限：正常使用条件下，桥墩结构设计使用年限为100年。

按桥墩位于无缝线路固定区设计。

桥墩外形和设计墩高范围：墩身外轮廓采用圆端形截面。为了简化类型，方便使用，固定中墩和活动中墩的墩身尺寸相同。对于有声屏障、无声屏障等各种工况组合的梁部荷载，本图设计采用相适应的设计条件。

桥墩设计高度：墩全高4～20 m。

本图设计地震动峰值加速度Ag≤0.15 g，地震动反应谱特征周期Tg≤0.55 s。

2设计荷载

2.1恒载

包括梁重和二期恒载。由于目前桥上无砟轨道结构有多种类型，本次设计二期恒载按梁部计算数值包络计算，二期恒载为100～180 kN/m。

恒载不考虑静水压力和浮力。

2.2活载

活载包括列车竖向静活载和动力作用、离心力、摇摆力。

(1)列车竖向活载采用ZK荷载，双线荷载作用时按两线列车活载总和100%计，不折减。

连续梁中墩：分固定墩和活动墩，按照最不利荷载进行组合，分别考虑重载、轻载、空车和无车。

连续梁边墩：分别考虑单双线行车(双孔重载、简支梁侧重载+连续梁侧轻载、连续梁侧单孔重载、双孔轻载、连续梁侧单孔轻载)、空车和双孔无车。

(2)支承垫石检算考虑列车活载竖向动力作用，动力系数按《高速铁路设计规范》第7.2.7条计算。

(3)曲线离心力、摇摆力

列车摇摆力和位于曲线上的离心力，按《高速铁路设计规范》第7.2.11计算。

2.3附加力

附加力按《规范》取值，主要考虑制动力或牵引力、风力、支座摩阻力；不计流水压力、冰压力、冻胀力及温度力。

(1)制动力或牵引力

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桥墩支座中心，不考虑作用点移动所产生的力矩。

固定中墩：按活载加载图示计算制动力；

活动中墩：不计制动力；

边墩：仅考虑32 m简支梁侧活载制动力。

(2)风荷载强度W

设计采用：有车时，W=1 250 Pa；无车时，W=2 250 Pa。风荷载计算时考虑设置声屏障，声屏障高度按高出梁顶3.0 m计。

(3)支座摩阻力

桥墩设计考虑预应力混凝土连续梁因温度变化引起伸长或缩短，活动支座处产生摩阻力，取静摩阻系数0.05，支座摩阻力按附加力考虑，不与制动力同时组合。

固定墩：按上部结构反力乘以支座静摩阻系数计算；

活动墩：按上部结构反力乘以支座静摩阻系数计算；

边墩：按连续梁侧反力乘以支座静摩阻系数计算。

2.4无缝线路作用于墩顶的纵向水平力

无缝线路作用于墩顶的纵向水平力包括伸缩力、挠曲力、断轨力，根据《铁路无缝线路设计规范》(TB10015—2012)相关规定，按梁轨共同作用计算。钢轨伸缩力参考铁道科学研究院《客运专线铁路桥梁墩台纵向线刚度参数标准的研究》，(60+100+60) m连续梁钢轨伸缩力为900 kN/线，32 m简支梁钢轨伸缩力为400 kN/线。本图设计采用的轨道力见表2。

表2　无缝线路轨道力取值(每轨)

2.5特殊荷载

(1)施工荷载

本设计考虑运梁车过梁及架桥机架设相邻跨简支梁，荷载图示如图1。

图1　运架梁荷载图示(单位：m)

悬臂浇筑过程中，中支点承受的最大不平衡弯矩为68 636 kN·m，相应竖向反力为55 783 kN。

施工过程中，如荷载有变化，应根据具体施工荷载进行检算。

(2)地震力

按《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)(2009版)规定计算。

单墩杆单元模型计算地震力，墩身简化为多个质点，弹簧约束模拟基础。计算顺桥向地震力时，将整联连续梁恒载换算为质点作用于固定墩墩顶；计算横向水平地震力时，考虑各墩共同分担地震力，并计入单线活载反力。地震力组合按“震规”第7.1.4条规定办理，不计无缝线路钢轨纵向力。

2.6桥墩纵向水平力分配原则

(1)固定墩承受所有的纵向水平力，包括全联梁的制动力、钢轨纵向水平力、纵向地震力以及支座摩阻力。制动力和支座摩阻力不同时组合；纵向地震力与制动力、钢轨纵向水平力以及支座摩阻力也不同时组合。

(2)活动中墩墩顶纵向水平力按支座摩阻力计。

(3)边墩墩顶纵向水平力除了计入连续梁侧支座摩阻力，还需计入简支梁侧制动力、长钢轨纵向水平力及简支梁侧纵向地震力。纵向地震力与制动力、钢轨纵向水平力以及支座摩阻力不同时组合。

(4)支座静摩阻系数取0.05。

3设计控制指标

实体墩墩身按混凝土偏心受压构件计算。

墩身截面合力偏心矩e、墩身截面强度、整体稳定性满足《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》要求。

主+震工况，如果偏心超标，检算混凝土和钢筋应力。

(1)墩顶纵向水平线刚度

固定中墩墩顶最小纵向水平线刚度3 200 kN/cm(含基础)，边墩墩顶最小纵向水平线刚度按配跨32 m简支梁控制，不小于350 kN/cm(含基础)。

《中国高速铁路桥梁》总结了我国高速铁路桥梁的设计、建造经验和成果，对高速铁路桥墩刚度分配进行了详细的计算比较，研究对象为墩高16 m以内的桥墩。研究结论为，“按单位力墩身位移占单位力总位移的40%拟定尺寸比较合理，建议墩身尺寸按此比例考虑”，即墩身与基础的刚度比为60∶40。

固定中墩墩顶最小纵向水平线刚度8 000 kN/cm(不含基础)，边墩墩顶最小纵向水平线刚度900 kN/cm(不含基础)。

(2)墩顶弹性水平位移

L—桥梁跨度，当L<24 m时，L按24 m计；当为不等跨时，采用相邻跨中较小跨的跨度。

Δ—桥墩顶帽弹性水平位移。

横桥向，墩顶横桥向水平位移引起的桥面处梁端水平折角不大于1‰

墩顶纵向位移限值如表3所示。

表3　墩顶纵向位移限值(含基础)

4设计方案

中墩分三档设计：

4 m≤H≤10 m，墩身尺寸9.2 m×4.2 m，顶帽尺寸10.6 m×4.2 m；

11 m≤H≤15 m，墩身尺寸9.2 m×4.6 m，顶帽尺寸10.6 m×4.6 m；

16 m≤H≤20 m，墩身尺寸9.2 m×5.0 m，顶帽尺寸10.6 m×5.0 m。

边墩分三档设计：

4 m≤H≤10 m，墩身尺寸8.0 m×3.2 m，顶帽尺寸9.4 m×3.6 m；

11 m≤H≤15 m，墩身尺寸8.0 m×3.6 m，顶帽尺寸9.4 m×3.6 m；

16 m≤H≤20 m，墩身尺寸8.0 m×4.0 m，顶帽尺寸9.4 m×4.0 m。

5墩身计算

5.1桥墩常规计算

刚度及位移计算见表4。

偏心及稳定性检算见表5。

中墩、边墩在各工况下偏心、压应力、纵横向稳定性均满足规范要求。

5.2桥墩抗震计算

(1)检算范围

根据专家审查意见，本设计考虑抗震设防烈度为：6度及以下地区(Ag≤0.05 g)、7度地区(Ag=0.1 g)、7度地区(Ag=0.15 g)。

表4　刚度及位移计算结果

表5　偏心及稳定性计算结果(不含基础)

(2)地震力计算方法

根据《铁路工程抗震设计规范(2009年版)》(GB50111—2006)，抗震检算采用反应谱理论进行计算。

在桥墩地震力分析时，当地震动反应谱特征周期Tg=0.25 s、Tg=0.35 s时，采用明挖基础，按墩底固结情况分析；当地震动反应谱特征周期Tg=0.45 s、Tg=0.55 s时，采用桩基础，按墩底弹性约束考虑。

Ⅱ类场地(Tg=0.45 s)：桩侧土m值取20 000 kPa/m2，桩底土m0值取80 000 kPa/m2；Ⅲ类场地(Tg=0.55 s)：桩侧土m值取10 000 kPa/m2，桩底土m0值取20 000 kPa/m2。

中墩墩高4≤H≤15 m采用11-2.0 m桩基；中墩墩高16≤H≤20 m采用12-2.0 m桩基；边墩墩高4≤H≤15 m采用11-1.25 m桩基；中墩墩高16≤H≤20 m采用12-1.25 m桩基。

(3)地震力计算结果

根据计算结果，6度区，主+纵向地震力、主+横向地震力工况，中墩、边墩截面偏心均满足要求；7度0.10 g、7度0.15 g，主+横向地震力工况，中墩、边墩截面偏心满足要求，主+纵向地震力工况，中墩、边墩部分截面偏心超标，需验算混凝土和钢筋应力。

(4)桥墩应力验算

多遇地震作用下，主+纵向地震力工况，部分桥墩截面偏心超标，对混凝土和钢筋应力进行验算，确定桥墩竖向主筋配置。

墩身拉筋最小净保护层35 mm。中墩构造配筋竖向主筋采用直径20 mm，间距12.5 cm；边墩构造配筋竖向主筋采用直径16 mm，间距12.5 cm。当计算需要采用双肢一束配筋时，采用按照计算结果单根截断的方式配筋，采用的截断高度按照计算结果预留2 m富余长度，墩高10 m以下不再截断钢筋。

中墩：

中墩墩身竖向主筋采用HRB400，钢筋直径根据地震检算确定，间距10～15 cm。地震力不控制时，主筋直径采用20 mm，主筋伸入基础1.5 m。

墩身箍筋采用HRB400，6度、7度区(0.1 g)钢筋直径12 mm，7度区(0.15 g)钢筋直径16 mm。箍筋间距15 cm，墩底加密为10 cm，加强区高度为截面高度；墩高10 m以下，箍筋间距均为10 cm。

墩身横向拉筋采用HRB400，钢筋直径12 mm。

边墩：

边墩墩身竖向主筋采用HRB400，钢筋直径根据地震检算确定，间距10～15 cm。地震力不控制时，主筋直径采用16 mm，主筋伸入基础1.5 m。

墩身箍筋采用HRB400，6度、7度区(0.1 g)钢筋直径12 mm，7度区(0.15 g)钢筋直径16 mm。箍筋间距15 cm，墩底加密为10 cm，加强区高度为截面高度；墩高10 m以下，箍筋间距均为10 cm。

墩身横向拉筋采用HRB400，钢筋直径12 mm。

6顶帽计算

分别建立中墩和边墩实体有限元模型，进行受力分析，墩高H=10 m。桥墩混凝土强度等级为C35，支座垫石为C50，

(1)中墩

中墩主拉应力如图2所示，中墩顶面中心出现3.4 MPa拉应力，该位置横向拉应力较大。

图2　中墩主拉应力

中墩主压应力如图3所示，垫石底面与墩顶交接位置处主压应力约18.5 MPa，中墩承压安全。

图3　中墩主压应力

(2)边墩

边墩主拉应力如图4所示，边墩边跨侧桥墩中间位置主拉应力约2 MPa，边墩主跨侧中间位置主拉应力约1 MPa。

图4　边墩主拉应力

边墩主压应力如图5所示，垫石底面与边墩交接位置处主压应力最大约-6 MPa，边墩承压安全。

图5　边墩主压应力

7结束语

对高速铁路(60+100+60) m连续梁桥墩的设计进行介绍，对于适用范围内的桥墩，可以推广到现在高速铁路桥梁的设计和施工中，避免大量的重复计算工作，节省施工模板，优化施工工序。

参考文献

[1]TB10621—2014高速铁路设计规范[S]

[2]TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S]

[3]TB10002.4—2005铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范[S]

[4]TB 10015—2012铁路无缝线路设计规范[S]

[5]GB50111—2006铁路工程抗震设计规范(2009年版)[S]

[6]CJJ 166—2011城市桥梁抗震设计规范[S]

[7]郑健.中国高速铁路桥梁[M].北京：高等教育出版社，2008

[8]铁道部.铁路工程设计技术手册：桥梁墩台[M].北京：中国铁道出版社，2007

[9]余兴胜，文望青.连续梁桥墩设计绘图系统开发研究[J].铁道标准设计，2011(2)

[10]贾允祥.郑焦城际跨济东高速特大桥(40+64+40) m连续梁桥墩设计[J].铁道标准设计，2011(8)

[11]高策.城际铁路双线圆端形实体桥墩设计研究[J].铁道勘察，2013(2)

收稿日期：2016-03-22

第一作者简介：任逵(1983—)，男，2005年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，工程师。

文章编号：1672-7479(2016)03-0114-05

中图分类号：U442.5

文献标识码：B

Design on High Speed Railway(60+100+60)m Continuous Beam Pier

REN KuiZHOU YongweiSHI Luning