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京张高铁预应力混凝土框架墩设计实例分析

2018-07-12尹斌

珠江水运 2018年11期
关键词:本线墩柱横梁

尹斌

摘 要:京张高铁某工点与改建京包线交叉,夹角较小,因此采用框架墩跨越改建京包线。文章结合工程实例,对框架墩设计进行了全面的分析介绍,并通过调整施工顺序达到优化设计的目的,工程施工后满足了施工要求,可为类似工程提供借鉴。

关键词:框架墩 优化设计

1.工程概况

京张高铁是世界上第一条设计时速350km有砟轨道高速铁路,也是世界上第一条设计时速350km的高寒、大风沙高速铁路。京张高铁位于北京市西北、河北省北部境内,东起北京市,途经北京市海淀、昌平两区和延庆县,由延庆县康庄镇入河北省境内,跨官厅水库,经怀来县、下花园区、宣化区,西迄张家口市,呈东西向沟通两市。

京张高铁为2022年冬奥会重要的交通枢纽,是连接北京和张家口的重要通道。京张高铁对两地经济发展和文化交流具有重要意义,极大地方便了两地旅客出行,让两地资源互补,同时京张高铁也将在扩大内需、增加就业和改善人民生活等方面发挥重要作用。

本段桥位位于河北省怀来县土木村和官厅水库之间,桥位处,地势平坦开阔,桥址区以村庄及耕地为主。既有京包线在此处为单线非电气化线路,与本线斜交,由于既有京包线与本线夹角较小,为保证运营安全,施工中对既有京包线进行局部改建,改建京包线与本线夹角12度,采用32m简支梁(下部结构为框架墩)形式跨越。

2.框架墩平面布置

既有京包线与本线夹角太小,需对既有京包线进行改建。改建京包线为单线,限界宽度为4.88m,本线与改建京包线夹角12°。由于夹角较小,如采用预应力混凝土连续梁方案,至少需要主跨为100m的连续梁才能跨越改建京包线。主跨100m的连续梁中支点高7.91m,边支点高4.91m,平均墩高26m,而采用框架墩跨越,上部为标准32m简支梁,经济优势明显,故不考虑采用预应力混凝土连续梁方案。

本处采用2孔32m简支梁跨越改建京包线,桥墩采用框架墩,由于框架墩墩柱紧挨改建京包线,墩柱布置时不仅要满足铁路限界的要求,施工时应与改建京包线同期实施,避免后期施工干扰,增加施工难度。本段墩柱北侧距离既有京包线较近,施工时要采取相应的防护措施,以减少施工对既有铁路的影响。

桥址处地震动峰值加速度为0.20g,相当于地震基本烈度Ⅷ度,地震动反应谱特征周期0.35s,属Ⅱ类场地。最大冻结深度0.99m。勘察期间地下水埋深为7.20~22.8m,地下水对混凝土不具侵蚀性。

3.结构尺寸

框架墩计算跨度12m,净跨度9.5m,横梁截面为组合梯形,上顶面宽3.4m,下底面宽3.1m,截面高2.4m;墩柱为矩形截面,墩身顶尺寸为2.5x2.5m,横桥向墩身坡度为直坡,纵桥向墩身坡度为25:1;承台横桥向5.6m,纵桥向8.9m;墩柱均采用6根1.25m钻孔灌注桩;31号墩总高29m,立柱高26.6m,框架墩在距立柱顶12.75m处设置一道2.0×1.6m横系梁。本次框架墩计算以31号墩为例。

4.主要设计指标

4.1设计参数

横梁纵向预应力筋采用低松弛钢绞线、夹片式锚具,其预应力损失按如下参数计算:

(1)采用金属波纹管成孔,钢束与管道壁之间的摩阻系数μ取0.26,管道偏差系数k取0.0025。

(2)锚具的锚口摩阻损失与锚下喇叭口摩阻损失之和按锚外控制应力的6%。

(3)锚具回缩量每端取6mm,计入反向摩阻作用。

(4)其它预应力损失按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)有关条文计算。

(5)锚口及喇叭口损失、管道摩阻系数、管道偏差系数应经现场试验确定,若与设计值偏差较大,应重新检算调整。

4.2横梁变形限值

(1)在ZK竖向静活载作用下,梁体竖向挠度Δ限值:Δ≤L/1600,L为计算跨度。

(2)在列車横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下,梁体水平挠度应≤梁体计算跨度的1/4000。

(3)以一段3.0m长的线路为基准,在ZK活载作用下,一线2根钢轨的竖向相对变形量≤1.5mm。

4.3线形控制

(1)位移向上为“+”,向下为“-”。

(2)最大静活载挠度发生在32号墩:- 0.93mm,为跨度的1/12903。

(3)本横梁不设置预拱度。

5.结构计算

5.1框架墩横梁计算

本次框架墩横梁计算采用PRBP程序,考虑到本程序系统为平面梁元体系,对于空间折线布置,只能近似地按平面折线处理,其处理方式为忽略横桥方向的转折影响。框架墩模型一共分为50个单元,墩柱系梁一次浇筑。

根据运营阶段下,框架墩横梁计算可看出,在主力工况下,对于框架墩横梁上缘,混凝土最大应力为6.66MPa,横梁上缘混凝土最小应力为1.19MPa;横向下缘混凝土最大应力为5.87MPa,横梁下缘混凝土最小应力为0.95MPa。横梁上下缘最大、最小应力值均满足规范要求。

运营阶段下,框架墩横梁截面抗裂系数验算结果如表1所示。

5.2框架墩墩柱计算

框架墩墩柱采用MIDAS计算,先将PRBP计算通过的预应力钢束导入MIDAS中,根据《铁路桥涵设计规范》荷载组合原则,算出各截面的内力,通过各截面的弯矩、剪力和恒载轴力来计算框架墩墩柱的配筋。通过分析墩柱配筋结果,可知,墩顶横桥向截面的配筋由施工阶段预应力张拉控制,预应力张拉时墩顶弯矩达到10125kN·m,截面横向需采用双肢28的钢筋,钢筋应力和裂缝均满足规范要求。

经过分析,框架墩横梁和墩柱的相对刚度直接影响到弯矩的分配,墩柱刚度越大,所受的弯矩就越大,横梁所受弯矩就越小;反之墩柱刚度越小,所受的弯矩就越小,横梁所受弯矩就越大。为减少墩身钢筋数量,降低框架墩造价,对施工顺序进行了优化调整,将墩系梁与墩柱一次浇筑调整为预应力张拉完后墩系梁再浇筑,并对横梁和墩柱计算模型进行了调整。

PRBP模型调整完后,通过分析框架墩横梁计算结果,可知,在主力工况下,对于框架墩横梁上缘,混凝土最大应力为6.52MPa,横梁上缘混凝土最小应力为0.76MPa;横向下缘混凝土最大应力为6.35MPa,横梁下缘混凝土最小应力为0.97MPa。横梁上下缘最大、最小应力值均满足规范要求。

MIDAS模型调整完后,墩柱配筋结果如表2所示。

从表2中可看出,墩系梁施工顺序调整为后浇,墩顶横桥向截面的钢筋由双肢28的钢筋降低为双肢25的钢筋,施工阶段预应力张拉时墩顶弯矩由10125kN×m降到了7973kN×m,弯矩降幅达到21%,效果明显,应力和裂缝均满足规范要求。

5.3基础计算

承台满足刚性角要求,构造配筋即可。桩基根据MIDAS模型计算的承台底反力进行群桩计算,采用B89群桩计算程序计算桩基长度和配筋。经计算,31号框架墩左右墩柱均采用6根1.25m桩基,桩长23m。

6.结束语

综上所述,目前该处框架墩已施工完毕,并完成架梁。在框架墩设计时,应找到截面配筋的控制工况,并对其进行深入研究,本工点通过进行调整施工顺序达到优化钢筋数量的目的。

参考文献:

[1]TB10002-2017.铁路桥涵设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2017.

[2]TB10092-2017.铁路桥涵混凝土结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2017.

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