昌景黄铁路高框架墩设计关键技术研究

邢 雨，左家强，万 明

（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300142）

0 引言

在铁路桥梁建造中,部分地区由于既有道路及管线错综复杂,桥梁小角度交叉点越来越多,而框架墩结构由于灵活的布置方式，应用越来越广泛。我国铁路采用跨区间无缝线路，为了保证桥上无缝线路的稳定性和安全性，同时保证桥梁结构的受力安全，桥墩具有一定的刚度要求，因此桥墩越高，尺寸往往越大。

田万俊等[1]对城市轻轨铁路中采用的预应力混凝土框架墩的设计要点和方法进行了详细介绍；宋顺忱等[2-3]对津秦客运专线连续梁-框架墩体系结构刚度、空间受力行为、地震响应、温度变形对结构体系的影响、铺设无砟轨道的适应性等关键问题进行了研究；张世基[4]对重载铁路大跨度预应力混凝土框架墩进行了实例分析；孙智峰[5]、历付[6]对铁路钢横梁框架墩设计进行了研究。

目前国内铁路尚无40 m以上高度框架墩结构。因此，在设计这种结构时，需要依据铁路框架墩的受力特点，依据工点具体情况，制定合适的设计方案。

1 工程概况

南昌经景德镇至黄山铁路工程（昌景黄铁路）景北折返线19~22号墩，初步设计拟采用框架墩结构形式跨越景北右线（下层铁路）及瓷源路（最下层公路），其墩高36.5~43 m。昌景黄铁路为中国铁设EPC总承包项目，设计单位提供的初步设计方案立面图、平面图见图1、图2。

图1 初步设计方案立面图（单位：cm）

图2 初步设计方案平面图

景北折返线、景北右线以下分别简称上层铁路、下层铁路，关键边界条件如下：

（1）线路条件：上下层均为单线铁路；设计速度目标值200 km/h；景北折返线位于直线段落，景北右线位于缓和曲线段落（R=800 m）。

（2）轨道标准：上下层均铺设无缝线路，单位长度钢轨质量60 kg/m。

（3）轨道类型及轨道高度：上下层均采用有砟轨道，轨顶(内轨轨面）至梁顶0.886 m。

（4）设计活载：ZK活载。

（5）地震动峰值加速度a=0.05g，地震动反应谱特征周期0.35 s。

2 铁路框架墩受力特点研究

2.1 铁路框架墩荷载特点研究

铁路框架墩结构平面一般垂直于线路方向（或稍微偏离垂线），其承受的荷载可以分为平面外荷载、平面内荷载、其他荷载。

铁路框架墩所承受的平面外荷载一般包括：纵向风力、钢轨伸缩力、钢轨挠曲力、钢轨断轨力、列车制动力、顺桥向地震力等。当受到顺线路方向的作用力时，其结构模型类似于普通铁路桥墩，结构模型可以抽象为一端固结的悬臂杆，计算比较简单，但墩顶纵向位移对结构尺寸影响较大。

铁路框架墩索承受的平面内荷载又分为竖向力与横向水平力。一般来说，铁路框架墩承受较大的竖向荷载，通过支座直接作用在框架墩横梁上，包括箱梁与轨道结构质量、列车竖向荷载、运架梁荷载等。以昌景黄铁路单线32 m有砟简支梁为例，其支座竖向反力见表1。

表1 支座竖向反力 单位：kN

铁路框架墩所承受的横向水平力包括离心力、摇摆力、横向风力等。横向水平力造成横向挠度、水平折角，是横向刚度的主要控制荷载。横向水平力对平面内结构内力也有一定影响，但数值较小，以横向摇摆力为例，《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）规定，高速铁路横向摇摆力取80 kN，与竖向荷载不在一个数量级。

其他荷载包括基础不均匀沉降、温度荷载等，一般与结构刚度、基础刚度关联性较大；刚度越大，沉降及温度造成的内力越大[7]。

2.2 铁路框架墩内力特点研究

框架墩下部一般采用桩基础，一些研究认为框架墩力学模型可以抽象为下部约束是介于铰接与固结之间的刚架结构，但需要研究得出结论。根据上述分析，铁路框架墩所承受的荷载主要为通过支座传递下来的竖向集中力，故可以通过建立Midas模型，分析框架墩受力特点。

图3~图5为同一结构尺寸的刚架墩底分别为固结、铰接以及采用输入基础刚度[8]时，横梁施加1 000 kN竖向力时的弯矩图，其中输入刚度与实际常规铁路框架墩所采用的刚度数量级基本一致[8]。

图3 固结模型弯矩图（单位：kN·m）

图4 铰接模型弯矩图（单位：kN·m）

图5 输入刚度模型弯矩图（单位：kN·m）

由图3~图5可知，输入刚度模型受力特点与固结刚架模型基本一致。进一步建立不同基础刚度的Midas模型，得到如下结论：

（1）输入刚度模型在荷载作用下存在整体位移，而固结模型不存在。

（2）固结模型在温度及基础不均匀沉降作用下造成的内力非常大，相当于输入刚度模型的基础刚度提高数个数量级。

因此，铰接模型与铁路框架墩实际受力特点不符；固结模型相对保守，会造成不必要的投资；输入刚度模型较为符合铁路工程实际。

3 双层方案研究

通过对边界条件的梳理，可以发现上下层铁路桥跨布置基本对应，且均属昌景黄铁路项目，可以同期施工。因此可以研究双层框架墩方案，与原初步设计方案进行对比。

由图2可知，初步设计方案中景北右线与景北折返线桥跨布置不一致，并存在较大夹角，因此作如下调整：

（1）下层景北右线18~19号墩之间原为24.6 m简支梁，19~20号墩之间原为32.6 m简支梁，为了与上层景北折返线跨度基本一致，将2片梁位置对调，即18~19号墩之间改为32.6 m简支梁，19~20号墩之间改为24.6 m简支梁。

（2）原初步设计框架墩横梁中心线与上层景北折返线垂直，并与下层景北右线存在较大交叉角度。双层框架墩布置时，横梁中心线与景北折返线、景北右线均存在较小的斜交角度，以免横梁过宽或增加齿块结构。

（3）调整框架墩平面位置，使得上下层箱梁合力作用于横梁中心线。

调整后的双层框架墩方案立面、平面布置图见图6~图8。

图6 双层框架墩方案立面图（单位：cm）

图7 双层框架墩方案平面图（上层）

图8 双层框架墩方案平面图（下层）

双层框架墩方案与原方案相比，少了4个普通桥墩及相应的桩基础，但是多了4个横梁及相应的预应力。因此，在控制相同计算指标的情况下，对其工程量及投资进行比较。方案工程量及投资对比见表2。

表2 方案工程量及投资对比

由表2可见，双层框架墩方案较原方案节省投资128.7万元，造价节省7%。

除此之外，双层框架墩方案还存在以下优点：

（1）双层方案超静定次数较高，具有较强的结构鲁棒性，安全可靠[9-10]。

（2）双层方案多一道横梁，极大改善了横向刚度，避免了墩体横向放坡。

（3）从模型图上看，双层方案十分稳重，给人以一种安全感，并且双层方案避免了原方案单层框架墩+普通墩交错杂乱的视觉感，上下双层的立体式交通具有现代气息。

因此本工点采用双层框架墩方案。

4 结构计算

双层框架墩上架设单线32 m或24 m预应力简支箱梁，墩全高36.5~43 m。

双层框架墩参数表见表3。

表3 双层框架墩参数表

景北折返线（上层）第19、20、21、22号架墩，对应景北右线（下层）墩号为16、17、18、19，为便于说明分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号框架墩表示。框架墩横梁计算跨度为22 m，采用矩形截面，顺桥向宽3.2 m，高2.8 m，与墩相接处设置加腋；墩柱横桥向（垂直线路方向）墩底宽3.0 m，顺桥向（沿线路方向）墩顶宽3.6 m，向下按照1∶30放坡。使用Midas建立双层框架墩有限元模型，见图9。

图9 双层框架墩有限元模型

4.1 刚度检算

铁路钢轨除了受到列车运营时的动弯力及长钢轨锁定时的温度应力以外，还要承受由于梁体伸缩变形和列车制动引起的附加应力，因此需要保证轨道的强度和稳定性，而这些附加应力的值与下部结构的刚度以及桥梁跨度是密切相关的。此前国内最高铁路框架墩为京石客专左联特大桥某框架墩（38.5 m）[11-12]，而本工点结构高度最大的Ⅳ号墩高达43 m，为了增加纵向刚度，采用放坡增大尺寸的方法。Ⅳ号墩墩顶纵向宽3.6 m，向下按照1∶30放坡，墩底纵向宽达6.467 m。

根据《铁路桥涵设计规范》第5.4.3节规定，当不做梁-轨共同作用分析时，墩台顶纵向水平刚度不宜小于表4所示的客货共线、高速铁路墩台顶纵向水平刚度限值。

表4 客货共线、高速铁路墩台顶纵向水平刚度限值

对于本工点采用的双层框架墩方案，上下两层铁路均为单线，存在3种不利工况：

（1）仅上层铁路有列车通过。

（2）仅下层铁路有列车通过。

（3）上下层铁路列车同时通过（同向）。

因此，本工点双层框架墩兼具单线、双线铁路下部结构的特点，建议采用如下判评标准：

（1）按照双线铁路标准，在首层支座中心位置作用纵向单位力，满足水平线刚度不小于350 kN/cm要求。

（2）按照单线铁路标准，在首层及二层支座中心位置同时作用纵向单位力，双层框架墩满足水平线刚度不小于220 kN/cm要求（以墩顶位移进行判断）。

结构高度最大的Ⅳ号墩（43 m）按照上述标准施加荷载得到的刚度数值分别为385 kN/cm、261 kN/cm，满足《铁路桥涵设计规范》要求。此外，《铁路桥涵设计规范》要求的竖向梁端转角、静活载挠度、墩顶纵横向位移、徐变变形等其余刚度指标也满足要求。

4.2 强度检算

以Ⅳ号墩为例，在框架墩自重与箱梁荷载等竖向荷载作用下，Ⅳ号墩承受竖向荷载的内力图见图10。根据该内力图，布置上下横梁预应力钢束。Ⅳ号墩上下层横梁预应力布置见图11、图12，钢束弯起位置随支座位置进行调整。

图10 Ⅳ号墩承受竖向荷载内力图

图11 Ⅳ号墩上层横梁预应力布置

图12 Ⅳ号墩下层横梁预应力布置

框架墩横梁控制位置检算结果见表5，表中应力数值拉为负，压为正。

经检算，上下层横梁运营工况下均保持全截面受压，截面强度安全系数、抗裂安全系数、主应力等各项指标均满足《铁路桥涵设计规范》要求。由表5可知，框架墩墩柱按照钢筋混凝土桥墩进行检算，混凝土压应力、钢筋拉应力及裂缝宽度均满足《铁路桥涵设计规范》要求。

表5 框架墩横梁控制位置检算结果

本工点采取先支架现浇下层结构并预留接长钢筋，待下层运架梁结束后继续施工上层立柱及横梁的施工步骤，施工工况又分为上层横梁停、运、架工况及下层横梁停、运、架工况。经检算，各施工工况横梁及墩柱检算均满足《铁路桥涵设计规范》要求。

5 结 语

（1）铁路框架墩以承受竖向荷载为主，其结构可以用输入基础刚度刚架模型进行模拟。

（2）对于本工点而言，双层框架墩方案较原方案造价节省7%，并且更加安全、美观。

（3）本工点采用放坡增大墩宽的方法确保结构纵向刚度，并提出了双层框架墩刚度限值的2种标准。

（4）按照本方案提出的结构尺寸及配束方案，横梁、墩柱运营工况及施工工况下各检算结果均满足《铁路桥涵设计规范》要求。

（5）昌景黄铁路双层框架墩最高43 m，为目前国内最高的铁路框架墩结构。本研究为国内铁路类似项目的建设提供了借鉴意义。