客货共线铁路40 m跨度混凝土简支箱梁桥墩设计

许见超 陈浩瑞 班新林 苏永华

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

目前我国铁路预应力混凝土简支箱梁常用跨度为24 m 和32 m［1-3］，而对于跨越沟谷、河流的高墩桥梁以及建设在软弱沉陷地区的深基础桥梁，加大桥梁跨度、减少桥墩及基础数量可提高工程经济性。高速铁路40 m 跨度预制后张法预应力混凝土简支箱梁已完成科研、设计和试验验证［4-6］，并应用于郑济（郑州—济南）高速铁路黄河特大桥工程［7］。现阶段40 m 跨度简支箱梁尚未在客货共线铁路中应用，但随着艰险山区和高原地区客货共线铁路的修建，40 m 跨度简支箱梁对客货共线铁路也极具应用价值。

为满足无缝线路受力安全性及稳定性，位于无缝线路固定区的混凝土简支梁墩台顶纵向水平线刚度应由梁-轨共同作用分析确定。TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》［8］第5.4.3 条规定，当不做梁-轨共同作用分析时墩台顶纵向水平线刚度不宜小于给定限值。但TB 10002—2017 给出的客货共线铁路墩台顶纵向水平线刚度限值与高速铁路的相同。该限值是基于高速铁路ZK 荷载采用铁建设函〔2005〕285 号《新建时速200 公里客货共线铁路设计暂行规定》［9］规定的道床纵向阻力曲线由梁-轨共同作用分析得到的。TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》［10］修订了道床纵向阻力曲线，TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图式》［11］确定了我国客货共线铁路设计荷载应采用ZKH 荷载。因此，客货共线铁路桥梁墩台顶纵向水平线刚度限值需要相应更新。鉴于此，陈浩瑞等［12］依据TB 10015—2012 的最新有砟轨道纵向阻力曲线，基于ZKH荷载进行梁-轨相互作用分析，给出了20～48 m跨度简支梁墩顶纵向水平线刚度限值建议。

本文分别基于TB 10002—2017 规定的和陈浩瑞等［12］建议的墩顶纵向水平线刚度限值，对客货共线铁路40 m 跨度双线预应力混凝土简支箱梁桥桥墩进行设计，明确桥墩构造尺寸和配筋的控制条件，为40 m 跨度混凝土简支箱梁在客货共线铁路的应用提供参考。

1 设计依据

1）TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》［8］，简称《桥规》；

2）TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》［13］，简称《混规》；

3）GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》（2009年版）［14］，简称《抗规》；

4）TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》［10］，简称《无缝线规》；

5）TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》［15］，简称《地基规》；

6）TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图式》［11］，简称《荷载图式》。

2 适用范围

1）梁型：时速350 km 高速铁路预制无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁（双线）。

2）跨度组合：（40+40）m。

3）列车荷载：ZKH荷载。

4）支座：铁路桥梁球型支座TJQZ-8360，单个支座竖向承载力6 000 kN。

5）列车速度：旅客列车200 km/h；货车120 km/h（转8A货车80 km/h）。

6）曲线半径R：R≥2 800 m。

7）线间距S：4.4 m ≤S≤5.1m。

8）环境类别：碳化环境T2 级（钢筋保护层厚度取40 mm）。

9）抗震设防烈度：7度、8度。

10）基础类型：明挖基础和桩基础。

3 设计荷载

荷载组合工况如表1所示。

表1 荷载组合工况

1）恒载：包括梁重和二期恒载。

2）设计活载：最不利活载布置见表1。

3）制动牵引力：按《无缝线规》附录F采用梁-轨相互作用模型计算。

4）无缝线路纵向力：包括伸缩力、挠曲力、断轨力，按《无缝线规》附录F 采用梁-轨相互作用模型计算。

5）离心力：按《桥规》第4.3.10条计算。

6）摇摆力：按《桥规》第4.3.12条计算。

7）风荷载：按《桥规》第4.4.1 条标准设计风压强度计算。桥上有车时，风荷载强度W=K1K2× 800 Pa，且W≤1250 Pa；桥上无车时，W=K1K2× 1 400 Pa。其中，K1为桥墩风载体形系数，K2为风压高度变化系数。

8）地震力：按《抗规》计算。地震加速度Ag=0.10g，0.15g，0.20g，结构自振周期Tg=0.35，0.45，0.55 s。

4 设计原则

4.1 建筑材料

1）混凝土：支撑垫石采用C50钢筋混凝土；顶帽采用C35钢筋混凝土；托盘及墩身采用C35混凝土（配置护面钢筋）。

2）钢筋：Ag≤0.15g时墩身主筋采用HRB400 级钢筋；0.15g ＜Ag≤0.20g时墩身主筋选用HRB500 级钢筋。

3）材料容许应力按《混规》选取。

4.2 桥墩构造

采用圆端形实体桥墩。

1）墩高H：3 m ≤H≤20 m。墩高间隔取为1 m。分3 m ≤H≤14 m 和15 m ≤H≤20 m两档。

2）支承垫石和顶帽尺寸：按《桥规》第5.4.11条设计，支座和支撑垫石组合高度按0.55 m设计。

3）托盘及墩颈：按圆端形托盘进行设计。

4）墩身截面：3 m ≤H≤14 m 时采用直坡等截面；15 m ≤H≤20 m时采用变截面，坡率为45∶1。

4.3 检算内容及标准

1）墩身整体纵向稳定性：满足《混规》第5.2.2 条要求。

2）墩身截面合力偏心距e：满足《混规》第5.2.1条要求。①主力工况：e≤0.5Ss；②主力+附加力工况：e≤0.6Ss；③主力+特殊荷载（地震力除外）工况：e≤0.7Ss。其中Ss为沿截面重心与合力作用点连线方向至截面外包轮廓线交点的距离。

3）墩身强度：满足《混规》第5.2.3条要求。

4）墩顶纵向水平线刚度

根据《桥规》第5.4.3 条，墩顶纵向水平线刚度限值K=550 kN/cm。陈浩瑞等［12］依据《无缝线规》的最新有砟轨道纵向阻力曲线，基于ZKH 荷载进行梁-轨相互作用分析，建议墩顶纵向水平线刚度限值取K=1 200 kN/cm。分别按这2个限值进行检算。

5）墩顶纵向水平位移

墩顶纵向水平位移由两部分组成：荷载作用下墩身产生的弹性水平位移、基础和地基土壤弹性变形引起的水平位移。桥墩垫石顶的弹性纵向水平位移须满足《桥规》第5.4.4 条要求，即。其中：ΔZ为墩顶纵向水平位移，mm；L为桥梁跨度，m。

6）墩顶横向水平位移

满足《桥规》第5.4.5 条要求。对于时速200 km的线路，由墩顶横向水平位移差引起的相邻桥墩轴线间的水平折角不得超过1‰。对于等跨简支梁，桥墩墩顶横向位移限值满足2ΔH/L≤1‰，其中ΔH为墩顶横向水平位移，m。

7）抗震验算

按《抗规》进行抗震检算，地震力按附录E 计算。明挖基础（Tg=0.35 s）按墩底固结不计地基变形；桩基础（Tg=0.45，0.55 s）计入地基变形的影响。桥墩桩基按8 m柱桩计算；转动柔度δ22按《地基规》计算；桩周土按角砾土，地基土水平抗力系数的比例系数m值取50 MPa/m2。

5 桥墩设计

设计步骤为：①基于墩顶纵向水平线刚度限值初步设计桥墩墩身尺寸，墩帽尺寸则根据支座布置、检修和更换要求进行设计；②进行各荷载组合工况（参见表1）下的受力检算。

5.1 桥墩构造尺寸初步设计

墩高3～14 m 和15～20 m 系列桥墩的控制墩高分别为14，20 m。根据圆端形实体桥墩通用图设计调研结果，控制墩高下，考虑地基变形时的墩顶纵向水平线刚度K与墩底固结时的墩顶纵向水平线刚度K固的比值α在24%～37%。分别按K=550，1 200 kN/cm进行初步设计，桥墩构造尺寸见表2。其中按方案1设计的桥墩构造如图1所示。

表2 初步设计的桥墩构造尺寸

5.2 桥墩检算

分别对按K=550，1 200 kN/cm 设计的不同高度的桥墩进行检算。根据《混规》，在主力、主力+附加力、主力+断轨力工况作用下，按混凝土偏心受压构件进行整体纵向稳定性、截面合力偏心（e/Ss）、混凝土应力检算，并检算墩顶位移。结果显示，整体纵向稳定性指标均显著富余，各墩高下算得的各指标最大值见表3、表4。

图1 方案1桥墩构造示意

表3 桥墩受力检算结果

表4 墩顶位移检算结果

在主力+地震力工况下，按钢筋和混凝土容许应力限值对桥墩进行配筋设计。各墩高下，按K=550，1 200 kN/cm设计的最大配筋率分别为0.29和0.25。

由检算结果可知，基于《桥规》墩顶纵向水平线刚度限值（550 kN/cm）初步设计得到的桥墩构造尺寸满足桥墩在主力、主力+附加力、主力+断轨力工况作用下的墩身受力检算要求，满足墩顶位移容许值要求，且在各荷载工况下，相比规范容许值，截面合力偏心、混凝土压应力以及墩顶纵向、横向位移均有富余。客货共线40 m 跨度双线混凝土简支箱梁桥墩墩身构造尺寸由墩顶纵向水平线刚度限值控制，墩身配筋则由地震力控制。

结合表2 可知，K=1 200 kN/cm 时：①墩身尺寸有所增大；②在主力、主力+附加力、主力+断轨力工况作用下，截面合力最大偏心和混凝土最大压应力均有所减小；③墩顶位移减小；④在主力+地震力工况下，墩身截面最大配筋率减小。

以H=14 m 墩为例，按K=550，1 200 kN/cm 进行设计时，桥墩混凝土用量分别为205，242 m3；当Ag=0.2g且Tg=0.55 s 时，钢筋用量分别为4.48，4.65 t。增大墩顶纵向水平线刚度限值后，混凝土和钢筋的用量分别增加18.0%和3.8%。

可见，更大的墩顶纵向水平线刚度限值对应着更大的材料用量。在墩身尺寸设计已为墩顶纵向水平线刚度限值控制的情况下，仅通过增加墩身尺寸来满足更大的墩顶纵向水平线刚度限值要求的方案经济性较差。建议进行结构体系优化设计，如专门增设制动墩等。

6 结论

本文分别基于《铁路桥涵设计规范》规定的墩顶纵向水平线刚度限值K=550 kN/cm 和陈浩瑞等［12］建议的K=1 200 kN/cm，对客货共线铁路40 m 跨度双线预应力混凝土简支箱梁桥墩进行设计。结论如下：

1）按K=550 kN/cm 初步设计得到的桥墩构造尺寸满足桥墩在主力、主力+附加力、主力+断轨力工况作用下的墩身受力检算要求，满足墩顶位移容许值要求。

2）桥墩构造尺寸均由墩顶纵向水平线刚度限值控制，墩身配筋则由地震力控制。

3）按K=1 200 kN/cm 设计时，在各工况作用下截面合力偏心、混凝土压应力、墩顶位移均有所减小，但桥墩构造尺寸增大，混凝土、钢筋用量增加。仅通过增加墩身尺寸来满足更大的墩顶纵向水平线刚度限值要求的方案经济性较差。