铁路纵向Y型桥墩设计关键技术研究

2020-08-06仝波陈杰

铁道勘察 2020年4期

仝波陈杰

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

1 概述

在我国，新建高铁车站大都距离市区较远，若高铁接入市区既有车站，往往会面临邻近营业线施工、既有建筑改建及拆迁困难、隐蔽工程影响施工等问题。已有许多学者进行了相关研究：肖婧[13]研究了铁路非标墩的设计，避免了在孔跨中出现非标梁的情形，但是纵向调节跨度只有2 m左右；刘彦明[8]提出了转体V型T构方案，但该方案本身不具备调整跨度的功能。吴岐贤等[10，15]分析了Y型墩刚构桥的力学参数；王吉盈等[9，14]介绍了V型刚构桥的特点。以某高铁接入市区车站工程为例，对纵向Y型桥墩的设计进行深入研究。

2 结构设计

结合现场特点，设计了纵向Y型桥墩，墩高20 m，墩顶纵向长15.11 m，主梁长11.91 m，墩梁固结，将原设计此处(40+24) m简支梁调整为32 m简支梁+11.91 m纵向Y型墩+20 m简支梁方案，如图1所示。

图1 工点立面(单位：cm)

因为线路高程发生变化，墩顶拉杆采用变厚度，跨中截面为5.0 m×1.5 m，Y型斜柱按2∶1放坡，截面为5.0 m×1.8 m，竖向立柱截面为5.0 m×4.0 m。为不侵占人行道，本桥墩竖向立柱需切去1.3 m×0.6 m的角，桥墩构造大样如图2和图3所示。

图2 桥墩正视侧视示意(单位：cm)

图3 桥墩剖面示意(单位：cm)

3 设计原则

3.1 荷载

活载：ZK活载；

制动力：取计算长度内活载的10%，当与离心力或竖向动力作用时取7%；

温度作用力：整体升温25 ℃，整体降温20 ℃；

工点曲线半径取600 m，离心力以及风力、摇摆力、土压力等均依规范取值[1]。

3.2 刚度控制因素

4 设计关键技术

4.1 刚度设计

高铁桥墩的纵向水平线刚度对于桥上轨道及桥梁结构本身的安全十分重要[5]，但在竖向力作用下，桥墩也会有水平位移，且比水平力的作用更大。因此，提出了采用竖向力和水平力共同作用来计算纵向刚度的解决方案：依据铁路列车制动力的取值特点[1]，竖向力取水平力的10倍，如图4所示，用该水平力与水平位移的比值作为本桥墩的纵向刚度。

图4 纵向Y型墩刚度评估模型

本桥墩的纵向刚度为

KZ=FH/S

(1)

式中，KZ为Y型墩纵向线刚度/(kN/cm)，FH为作用墩顶水平力/kN，S为考虑基础刚度、在水平力和竖向力共同作用下的墩顶水平位移/cm。

在竖向力作用下，桥墩会对基础产生很大的弯矩，而基础的抗弯刚度决定了桥墩的墩顶位移值[4]。在水平力100 kN和竖向力1 000 kN作用下，不同桩基布置下的刚度设计值见表1。由表1可知，考虑竖向力与否，刚度值差距在4倍左右；基础的抗弯刚度越大，即顺桥向桩间距增大，桥墩的纵向线刚度也越大[7]。实际施工中采用8-φ1.5 m桩基布置，纵向线刚度为255 kN/cm，满足规范要求[1]。

表1 不同基础布置形式纵向线刚度

4.2 挠度评价

桥墩左侧为32 m简支梁，右侧为20 m简支梁，32 m简支梁在ZK静活载作用下挠度为8.91 mm，Y型桥墩在列车反力作用下墩顶竖向下移1.85 mm，水平左移3.92 mm，故左侧32 m简支梁组合挠度为(8.91+1.85) mm=10.76 mm，小于规范13.7 mm的限值，满足要求。

4.3 疲劳荷载

在列车活载作用下，桥墩会受到来回反复的纵向弯矩作用，这是一个疲劳受力特征。规范[2]要求“对承受疲劳荷载作用的构件，应检算钢筋应力幅”。疲劳荷载为运营阶段设计活载，本桥墩采用两根一束28号主筋布置[12]，在桥墩两侧活载作用下(考虑冲击系数)，得到应力幅值为87.3 MPa，满足规范要求[2]。

4.4 应力控制

桥墩及主梁均采用钢筋混凝土结构，其墩顶应力较为复杂[3，11]，故采用实体模型进行分析[6]。模拟分析表明，主拉应力集中在Y型框架的内缘交汇处。墩顶的拉杆是一个受拉为主的拉弯构件，其主拉应力在1.1～3.9 MPa之间，以右侧倒角交汇位置处最大(如图5所示)；主梁腹板的受拉应力约为0.6 MPa，未超过混凝土主拉应力，腹板受力表现出深梁的受力特点，主拉应力沿腹板截面斜向45°；底板主拉应力(顺线路方向)发生在支座下缘部位，“恒载+左侧主梁有车(单孔重载)”应力计算结果见表2。