蒙内铁路双固定墩设计研究

李祁伟　李晓霞　张耀月

(中交铁道设计研究总院有限公司，北京　100088)



蒙内铁路双固定墩设计研究

李祁伟李晓霞张耀月

(中交铁道设计研究总院有限公司，北京100088)

介绍肯尼亚蒙内铁路不同高度的双固定桥墩设计、配筋方法及工程简化方案。

铁路桥梁双固定墩施工简化配筋设计

1　概述

蒙内铁路(蒙巴萨港-内罗毕)位于肯尼亚境内，是东非铁路网的起始段，是首条海外采用中国标准的铁路。铁路等级：中国国铁Ⅰ级；正线数目：单线；设计活载：“中-活载”；设计客运时速120km、货运时速80km。

蒙内铁路上部结构采用以32m、24m为主的预应力混凝土简支T梁，执行中华人民共和国部颁通桥[2012]2101系列。下部结构采用单线圆端形实体混凝土桥墩，执行中华人民共和国部颁通桥[2012]4103系列。

蒙内铁路将进一步完善东非铁路网，增加东非国家的运力，对非洲国家经济发展起到重要支撑作用。受限于当地制造加工水平，桥墩模板采用国内制作运输，成本高，周期长。因此，如何减少特殊桥墩类型，采用标准化施工，成为本线下部结构设计的要点，也是工程快速开展的关键。

2　双固定墩

铁路支座的设置一般应遵循如下原则：在坡道上，设计在下坡端；在区间平道上，设置在重车方向的前端；在车站附近，设置在靠车站一端[1]。而在实际铁路线路设计时，变坡点位置受限于多种因素，如地形地貌、立交位置、铁路限坡及排洪等，有时不可避免将凹曲线设置在桥上。据《铁路桥涵设计基本规范》3.3.12款，在凹曲线处的某个桥墩上应设置两个固定支座，即双固定墩。

3　桥墩设计荷载

双固定墩应采取特殊设计[1]，对不同跨度T梁，其上部结构受力截然不同，应根据实际受力情况进行双固定墩的设计研究。

铁路桥涵设计时，根据结构特性将荷载分为主力、附加力及特殊荷载。在普通桥墩设计时，应根据不同的活载布置形式采用不同的桥墩计算荷载组合。考虑单孔轻载、单孔重载、双孔轻载、双孔重载及无列车通过5种活载布置方式，并用以上5种活载情况结合不同的附加力，衍生出19种控制组合。

双固定墩设计荷载按桥墩实际受力分析，根据19种控制组合进行调整。

4　问题的提出

为对比两种桥墩的受力，分别采用标准墩顶外力及双固定墩顶外力计算墩高h=8m时(含墩帽，下同)通桥(2012)标准墩，结果如表1所示。

计算表明，标准墩顶外力作用下，墩身偏心比及墩身混凝土拉应力值均处于较低水平，桥墩设计满足规范要求，并留有一定安全储备。双固定墩顶外力作用下，墩身偏心比及混凝土拉应力值均已严重超限，影响桥墩的稳定性与抗裂性，可见双固定桥墩存在特殊性，设计时应区别对待。

表1　两种外力结果(32 m+32 m梁)

调整坡身坡比，增加墩底截面尺寸，可以使偏心比及拉应力满足规范要求。但这样会造成墩身截面的迅速增大，既浪费混凝土资源又会影响桥梁的整体美观(H=10m时，墩身坡比需采用m=15∶1)。同时，单个特殊坡比桥墩会拖累工期，不利于工程快速开展。

5　计算分析

5.1直线墩高≤4 m桥墩分析

墩高h=4m时，桥墩尺寸采用通桥(2012)标准墩设计，计算结果如表2所示。

表2　墩高h=4 m时计算结果

计算表明，墩高h≤4m的双固定墩，在32m+32m及24m+24m跨度组合下，墩身最大偏心比分别为e/s=0.46、e/s=0.43，满足规范要求；混凝土拉应力值分别为-0.75MPa、-0.59MPa，亦与标准墩顶外力作用时的墩身应力水平相近。

5.2直线墩高5～8 m桥墩分析

墩高h=5～8m时，计算结果如表3、表4所示。

表3　墩高5～8 m计算结果(24 m+24 m)

表4　墩高5～8 m计算结果(32 m+32 m)

注：通桥(2012)标准墩尺寸严格按标准图中跨度及墩高选用；双固定墩(调整后)尺寸根据计算控制条件进行了优选，但同样是标准墩尺寸。

(1)通桥(2012)标准墩：墩高h=5～8m时，在两种跨度组合下，墩身最大偏心比及最大拉应力值均已超限。

(2)双固定墩(调整后)：墩高h=5～8m时，24m+24m跨度组合作用下，可将墩颈尺寸按通用图提高一个跨度等级，调整后计算结果满足规范要求。

32m+32m跨度组合作用下，调整墩颈尺寸和坡身坡比对于h=5～7m的桥墩同样有效。但当h=8m时，仍然需要调整墩身坡比及墩身最大偏心比及拉应力，才能勉强符合规范要求。

5.3直线墩高≥8 m桥墩分析

由上节计算，当墩高h≥8m时，桥墩不适于继续采用素混凝土结构，建议按钢筋混凝土结构进行设计。

5.4曲线桥墩分析

曲线墩设计取曲线半径R=1 200m，其它荷载组合同直线桥墩。限于篇幅，直接给出曲线桥墩计算结果，如表5、表6所示。

计算表明：24m+24m跨度组合作用下，在墩高4～7m范围内，可将墩颈尺寸和墩身坡比按通用图优选，调整后计算结果满足规范要求。

32m+32m跨度组合作用下，调整墩颈尺寸和坡身比仅仅对h=4～5m的桥墩有效，当h=6～8m时，计算结果仍然超过限值较多。

可见，在双固定墩外力荷载作用下，曲线桥墩的受力条件较直线墩差，设计中应优先采用直线双固定墩，对工程稳定性、耐久性有利。

表5　墩高4～8 m计算结果(24 m+24 m)

6　算例

钢筋混凝土桥墩静力分析计算采用墩高h=12m，上部结构24m+24m简支T梁，参数如表7所示。

表7　钢筋混凝土墩参数(24 m+24 m)

计算结果如表8所示。

表8　墩底截面计算结果

计算表明，在最不利荷载组合作用下，墩身钢筋最大拉应力值、混凝土最大压应力值及墩身刚度均满足规范要求。

7　结论

通过理论分析及算例验证，得出既可以避免增加桥墩模板，又能够使结构安全满足需要的双固定墩设计方案(如表9所示)。

表9　双固定墩选用

(1)双固定墩为特殊工点，设计及施工难以与标准墩统一，墩身坡比及配筋均不同于普通桥墩，不利于工程的快速顺利开展，工程前期应尽量避免凹曲线出现在桥梁上。

(2)双固定墩设计时，桥墩受力情况与普通桥墩受力情况有很大区别。如若简单套用原标准墩尺寸，势必会造成墩身混凝土应力超限，甚至产生裂缝，给工程埋下隐患。

(3)在相同的墩颈尺寸及墩身坡比时，设计中应优先选择小跨度的双固定墩。

(4)当墩高较高时，应考虑将桥墩设计为钢筋混凝土结构，此时，桥墩刚度可按双线控制。

[1]中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[2]中华人民共和国铁道部.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].北京：中国铁道出版社，2005

[3]中华人民共和国铁道部.TB10002.4—2005铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[4]中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[5]铁道第三勘察设计院.桥涵地基和基础[M].北京：中国铁道出版社，2002

[6]铁道部第四勘测设计院.桥梁墩台[M].北京：中国铁道出版社，1999

[7]黄棠.混凝土结构设计原理[M].北京：中国铁道出版社，1989

[8]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)

[9]北京市规划委员会.GB50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013

[10]中华人民共和国铁道部.GB5011—2006铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2009

Dual Fixed Bearing Design Study of Mombasa-Nairobi Standard Railway Dual Fixed Bearing Design Study

LI QiweiLI XiaoxiaZhang yaoyue

2016-03-15

李祁伟(1983—)，男，2008年毕业于北京交通大学城市轨道工程专业，工学硕士，高级工程师。

1672-7479(2016)04-0084-03

U443.22

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