嚴(yán)寒地區(qū)鐵路客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

尚海濤

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

哈齊客專正線全長(zhǎng)280.879 km，區(qū)間鋪設(shè)Ⅰ型板式無砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km。哈齊客專正線新建橋梁30座，總長(zhǎng)173.231 km，橋梁長(zhǎng)度占線路長(zhǎng)度的61.67%。哈齊客專沿途經(jīng)過地區(qū)歷年最冷月平均最低氣溫均在－17℃以下，歷年極端最低氣溫低于最高氣溫近80℃，是我國(guó)高緯度嚴(yán)寒地區(qū)第一條鐵路客運(yùn)專線。

哈齊客專橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合所處嚴(yán)寒地區(qū)的特點(diǎn)，首先進(jìn)行梁型、梁跨選擇和支座的選用，然后從結(jié)構(gòu)安全和耐久性方面考慮，針對(duì)性地進(jìn)行梁部防排水和墩臺(tái)、基礎(chǔ)的抗凍融設(shè)計(jì)，并兼顧橋梁附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)。另外，現(xiàn)場(chǎng)配合施工時(shí)提出相應(yīng)的越冬保護(hù)措施。

2 梁部設(shè)計(jì)

鐵路橋梁受到日照、溫度、干濕循環(huán)等劣化作用，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)安全度降低。后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁往往因注漿不飽滿、混凝土泌水等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)凍裂或耐久性降低，而日照溫差、突然降溫又會(huì)導(dǎo)致梁部結(jié)構(gòu)溫度次內(nèi)力和溫度次應(yīng)力的產(chǎn)生［1］。哈齊客專橋上采用無縫線路，梁軌的相互作用在日溫差、年溫差較大的嚴(yán)寒地區(qū)尤其明顯。為減少橋梁病害的發(fā)生，降低養(yǎng)護(hù)維修工作量，應(yīng)該結(jié)合線路所處的氣候特征，選擇合理的梁型。

2.1 橋型選擇

哈齊客專簡(jiǎn)支梁采用整體剛度較大的雙線整孔箱梁，增大梁體普通鋼筋的保護(hù)層厚度，并采用耐低溫新型防水層材料?？紤]到總體工期和施工技術(shù)條件，采用標(biāo)準(zhǔn)跨度的后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，集中設(shè)置梁場(chǎng)，工廠化生產(chǎn)。盡量減少異形簡(jiǎn)支梁的使用，原因是:異形簡(jiǎn)支梁如果采用場(chǎng)地現(xiàn)澆，則預(yù)應(yīng)力管道壓漿、混凝土養(yǎng)護(hù)等施工質(zhì)量難以保證;如果采用預(yù)制架設(shè)，則引起制梁成本增加，并影響架橋機(jī)架設(shè)作業(yè)，還帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

哈齊客?？绻蟾咚俟诽卮髽?，跨越高速公路原設(shè)計(jì)跨度40 m+56 m+40 m連續(xù)梁。后因高速公路規(guī)劃拓寬，道路主管部門提出主跨跨度調(diào)整為64 m。為不影響兩側(cè)已施工的簡(jiǎn)支梁橋墩，且盡量滿足原來的施組安排，修改設(shè)計(jì)時(shí)，將兩側(cè)各4孔32 m簡(jiǎn)支梁均調(diào)整為31 m簡(jiǎn)支梁?，F(xiàn)場(chǎng)采用900 t架橋機(jī)，通過調(diào)整前后支腿間距，可以順利地進(jìn)行架梁作業(yè)。

在跨越立交道路、河流航道等控制工點(diǎn)時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土大跨度連續(xù)梁是常用的梁型選擇之一。但位于嚴(yán)寒地區(qū)的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，必須考慮無縫線路的梁軌作用問題。橋上無縫線路鋼軌除受自身溫度力作用之外，還受橋梁附加縱向力作用。橋梁伸縮位移和受彎變形都會(huì)使無縫線路鋼軌產(chǎn)生附加力。附加力與線路縱向阻力、橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁材料和支座布置等因素有關(guān)，當(dāng)橋梁溫度跨度增加時(shí)，附加力增加明顯。大跨度連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，因溫度變化和列車荷載作用而產(chǎn)生的變形都比較大，鋼軌附加力也較大［2］。根據(jù)以往的檢算經(jīng)驗(yàn)，溫度跨度超過200 m時(shí)，為了保證軌道的安全性和穩(wěn)定性，往往考慮設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。因設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器地段不利于養(yǎng)護(hù)維修，應(yīng)盡量避免采用。所以，哈齊客專采用的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁梁跨主要有32 m+48 m+32 m、40 m+56 m+40 m、40 m+64 m+40 m、48 m+80 m+48 m、60 m+100 m+60 m 等。

嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)盡量避免采用鋼梁橋，除存在行車噪聲大、養(yǎng)護(hù)維修繁瑣等不利因素外，鋼梁自身的收縮膨脹受溫度變化的影響較混凝土梁明顯［3］。哈齊客專沿線歷年極端最高氣溫和最低氣溫差值近80℃，如果采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁，極易產(chǎn)生病害。

2.2 支座和防水層設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)支梁支座采用耐寒型的盆式橡膠支座，除滿足維修和維護(hù)條件外，墩臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備更換支座的條件［4］。承壓板和密封圈采用耐寒性能更好的三元乙丙橡膠。其適用溫度－40～60℃，比常用的氯丁橡膠耐低溫15℃。

梁頂防水層對(duì)于嚴(yán)寒氣候下的簡(jiǎn)支梁使用壽命和結(jié)構(gòu)安全非常重要，哈齊客專橋面防水層，防撞墻外側(cè)采用聚氨酯防水涂料，防撞墻內(nèi)側(cè)采用L類氯化聚乙烯防水卷材?？紤]到沿線極端最低氣溫達(dá)到－39.3℃，明確要求防水層的低溫彎折性不低于－40℃。

2.3 梁頂排水設(shè)計(jì)

無砟軌道箱梁梁頂，設(shè)置即時(shí)排水性能更好的六面坡。兩線軌道底座板之間匯水利用線路縱坡縱向排出，不設(shè)或少設(shè)泄水孔，避免梁體內(nèi)的縱向排水管冬季凍裂。

3 墩臺(tái)設(shè)計(jì)

混凝土實(shí)體墩臺(tái)在嚴(yán)寒氣候條件下易發(fā)生凍融破壞，危及結(jié)構(gòu)安全。哈齊客專橋梁墩臺(tái)均在表面加設(shè)護(hù)面鋼筋，提高混凝土的抗裂安全度。墩臺(tái)身上部采用C35鋼筋混凝土，墩臺(tái)下部除考慮地表土和地下水的侵蝕性外，位于水中橋墩還根據(jù)判定的凍融等級(jí)提高了混凝土強(qiáng)度等級(jí)［4］，位于河流中的橋墩，另須考慮冰壓力的作用［3］。

以下以松花江特大橋?yàn)槔f明嚴(yán)寒氣候條件河流中的凍融和冰壓力作用下的橋墩設(shè)計(jì)。

哈齊客專松花江特大橋跨越松花江，松花江百年一遇設(shè)計(jì)流量Q1/100=17 900 m3/s，百年一遇洪水位120.78 m，常水位116.0 m。主橋梁部結(jié)構(gòu)形式采用(77+3×156.8+77)m四線系桿拱連續(xù)梁，橋墩采用三柱之間用帶V形挖孔的板連接成整體流線形。橋墩縱向與水流平行。松花江特大橋橋墩立面如圖1所示。

圖1 松花江特大橋主橋橋墩立面(單位:cm)

松花江特大橋主橋有5個(gè)橋墩位于主槽中，平均水深8.5 m。因?yàn)闃蛑肺挥趪?yán)寒地區(qū)，松花江每年四月上旬有流冰，水中橋墩設(shè)計(jì)時(shí)須考慮冰壓力的附加作用［2］。

根據(jù)松花江哈爾濱水文站提供的數(shù)據(jù)，松花江百年一遇流冰期最高水位116.56 m，最低水位111.33 m，百年一遇冰厚 1.7 m。最大流冰塊長(zhǎng)200 m，最大流冰塊寬100 m。

作用于橋墩的冰荷載可分為:極限冰壓力，冰堆整體推移的靜壓力，流冰沖擊力，大面積冰層的靜壓力，冰蓋層受溫度影響膨脹時(shí)產(chǎn)生的靜壓力［3］。

根據(jù)計(jì)算，冰堆整體推移的靜壓力(同極限冰壓力)對(duì)橋墩作用最大，控制橋墩橫橋向鋼筋布置;作為橫向附加力，同時(shí)影響樁基上部配筋。

極限冰壓力計(jì)算公式

式中 h——冰的厚度，取0.8倍的百年一遇冰厚;

b——橋墩在流冰水位上的寬度，即橋墩縱寬;

m——橋墩形狀系數(shù)，因有破冰棱裝置，按三角形取值;

Ry——冰的抗壓極限強(qiáng)度;

A——地區(qū)系數(shù)，一般取1.0。

橋墩上游一側(cè)設(shè)置破冰棱裝置，頂部高于常水位1.5 m，墩身在破冰棱高度范圍內(nèi)不允許存在施工縫［3］。為提高結(jié)構(gòu)主體抗凍融耐久性，增加鋼筋保護(hù)層厚度，在墩身外包一層厚為15 cm的混凝土，強(qiáng)度等級(jí)與墩身混凝土相同，高度與破冰棱等高，外包混凝土與墩身關(guān)系見圖2。破冰棱外包耐候鋼鋼板，兼做模板。

圖2 松花江特大橋主橋橋墩平面(單位:cm)

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

哈齊客專地處松嫩平原，沿線地形無較大起伏。歷年最熱月平均氣溫與最冷月平均氣溫溫差在40℃左右，地表土壤為季節(jié)性凍土，最大凍結(jié)深度2.9 m。橋址區(qū)地下水位高，地表土多為含水量較大的黏土、粉質(zhì)黏土等凍脹土，凍脹等級(jí)最強(qiáng)為Ⅴ級(jí)特強(qiáng)凍脹。根據(jù)哈爾濱鐵路局各運(yùn)營(yíng)線上橋梁的病害特征，季節(jié)性凍土地區(qū)的橋梁病害多表現(xiàn)為基礎(chǔ)凍脹拔起或因受力不均而使橋墩產(chǎn)生傾斜，以及基礎(chǔ)頂部開裂等。典型的橋梁基礎(chǔ)凍脹病害示意見圖3。

圖3 牙林線某橋橋墩凍脹隆起示意

避免此類病害的有效方式是將橋墩基礎(chǔ)置于凍結(jié)線以下，《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005)6.1.3條和8.3.8條規(guī)定，承臺(tái)底面應(yīng)位于凍結(jié)線以下不少于0.25 m［6］，但是基礎(chǔ)埋置過深將增大施工難度并影響工程造價(jià)。所以，在滿足規(guī)范的情況下，為降低工程造價(jià)，并為安全儲(chǔ)備，有必要對(duì)橋墩基礎(chǔ)承受的凍脹力進(jìn)行檢算［3］。

4.1 凍脹力的檢算

季節(jié)性凍土地區(qū)，當(dāng)基底位于最大季節(jié)凍深以下時(shí)，切向凍脹力檢算公式

式中 N——基頂以上的荷重，主要為橋墩、梁部及軌道重力荷載;

C——基礎(chǔ)自重以及襟邊以上土柱重;

Qt——基礎(chǔ)位于融化土層的摩擦力。Qt=St×At，其中St為承臺(tái)側(cè)面與凍融土的單位摩擦力，對(duì)黏性土一般采用20 kPa。At為基礎(chǔ)(包括墩身入土部分)在凍融土層中的側(cè)面積;

m?——安全系數(shù)，對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的靜定結(jié)構(gòu)，取1.2;

T——承臺(tái)包括墩身入土部分承受的切向凍脹力。T=Auτ+τ＇，其中 Au為 70% 凍深范圍內(nèi)基礎(chǔ)和墩身側(cè)面積，為有水時(shí)冰層中的墩身面積，τ為70%凍深范圍內(nèi)基礎(chǔ)和墩身側(cè)面的單位切向凍脹力，τ＇為冰層對(duì)墩身側(cè)面的單位切向凍脹力。

哈齊客專橋梁均采用鉆孔樁基礎(chǔ)，為避免因?yàn)橥恋膬雒浭钩信_(tái)底面承受向上的凍脹力造成樁基拉斷或者拉裂，按照規(guī)范要求將承臺(tái)底面置于凍結(jié)線下0.25 m以上。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)承臺(tái)和墩身下部承受切向凍脹力均進(jìn)行了抗拔和抗拉檢算。檢算時(shí)，均按最不利工況。承臺(tái)的抗拔檢算，選取本線墩高采用最小的實(shí)體矮墩(墩高1.0 m);橋墩抗拉檢算，選取墩身截面最小，且橋墩入土最深的流線形橋墩。

4.2 基礎(chǔ)及墩身下部混凝土的耐久性措施

根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10005—2010)，根據(jù)地表水及地下水水位以及水、土的侵蝕性情況判定基礎(chǔ)及墩身下部的凍融破壞等級(jí)，相應(yīng)提高其混凝土強(qiáng)度等級(jí)，滿足最低抗壓強(qiáng)度。

大體積混凝土施工時(shí)，如采用高性能混凝土，往往因水膠比較小導(dǎo)致內(nèi)部水化熱過大，從而造成混凝土開裂。此時(shí)，通過調(diào)整混凝土配合比，減少膠凝材料的使用，可以有效降低混凝土內(nèi)部的水化熱。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)科研成果，在混凝土中摻加適量的引氣劑，可以滿足較高的抗凍融等級(jí)要求［4］。

松花江特大橋水中橋墩及承臺(tái)，按耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范判定其凍融破壞等級(jí)為D3，對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45［4］。主橋37號(hào)墩承臺(tái)，尺寸為 19.6 m×40.8 m×5 m(長(zhǎng)×寬×高)，混凝土共計(jì)3 998.4 m3。根據(jù)施工前的試驗(yàn)和計(jì)算顯示，混凝土配合比中水膠比采用0.35時(shí)，水化熱導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)縱橫向貫穿裂縫。為避免后續(xù)施工時(shí)出現(xiàn)溫度裂縫影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，需要確定合理的混凝土配合比，降低澆筑時(shí)產(chǎn)生的水化熱。在混凝土中摻加5.8%的引氣劑，水膠比調(diào)至0.38，通過了D3環(huán)境下的抗凍融循環(huán)試驗(yàn)。加上其他輔助措施，后期橋墩、承臺(tái)施工時(shí)有效避免了溫度裂縫的產(chǎn)生。

5 橋梁附屬設(shè)計(jì)

(1)錐體填方和橋頭缺口填方均以滲水土填筑，并嚴(yán)格夯實(shí);在錐體內(nèi)設(shè)置泄水管，避免積水造成冬季凍脹病害。泄水孔的進(jìn)水側(cè)應(yīng)設(shè)置反濾層，用爐渣填充。

(2)考慮到美觀性以及冬季維護(hù)的安全要求，墩頂不設(shè)或少設(shè)吊籃、圍欄等檢查裝置，應(yīng)采用懸臂式檢查車檢查維護(hù)支座。

(3)排水溝槽不宜采用漿砌片石，盡可能采用混凝土結(jié)構(gòu)。

6 橋涵工程施工期間的越冬保護(hù)措施

因地處嚴(yán)寒地區(qū)，橋涵工程在施工期間的越冬保護(hù)措施非常重要，不加保護(hù)或者保護(hù)措施不當(dāng)，有可能造成廢棄工程。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)配合施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)相關(guān)注意事項(xiàng)如下。

6.1 梁部施工越冬措施

已經(jīng)施工完成的簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁，應(yīng)及時(shí)完成防水層、保護(hù)層等二期恒載的施工;有條件者，應(yīng)該對(duì)橋面進(jìn)行遮蓋防護(hù)，防止陽(yáng)光直接照曬。冬休期間，應(yīng)有專人看守，及時(shí)清除梁頂覆雪。

6.2 墩臺(tái)施工越冬措施

對(duì)于已經(jīng)施工完成的墩臺(tái)，須采取措施將支座預(yù)留孔封堵;對(duì)于已架梁但預(yù)留支座螺栓孔未灌漿的墩臺(tái)，須按要求及時(shí)灌漿，避免冬季雨雪進(jìn)入預(yù)留孔后引起頂帽凍脹破壞。

6.3 基坑施工越冬措施

已經(jīng)開挖的基坑，應(yīng)及時(shí)完成基礎(chǔ)工程并按要求回填。如無條件完成，則應(yīng)利用原狀土回填，避免坑內(nèi)積水、凍脹降低地基承載力。

6.4 其他

(1)位于河流中的橋墩及基礎(chǔ)施工，入冬前應(yīng)在上游一側(cè)設(shè)置破冰棱裝置，防止春節(jié)融冰時(shí)流冰破壞墩身結(jié)構(gòu)和施工圍堰等。

(2)橋涵工程預(yù)埋的螺栓、鋼筋或觀測(cè)標(biāo)、接地端子等小構(gòu)件，冬休期應(yīng)采取有效措施防止其銹蝕和變形，并派專人管理，做好防火、防盜工作。

(3)已經(jīng)施工完畢的涵洞、框構(gòu)，應(yīng)及時(shí)將上下游排水系統(tǒng)貫通，冬季期間涵內(nèi)不得積水積雪，防止凍脹引起涵身破壞。入冬前涵洞內(nèi)有積水的，應(yīng)采取臨時(shí)回填措施，排除洞內(nèi)積水，確保涵洞不發(fā)生凍害，安全越冬。

(4)為避免冬季排水管道凍脹脫落或形成的冰柱影響鐵路、公路行車安全，梁部已施工完成的跨越立交橋梁，跨線處梁部的排水管應(yīng)進(jìn)行封堵。

7 結(jié)語(yǔ)

鐵路客運(yùn)專線作為一個(gè)系統(tǒng)工程，橋梁工程是其重要的組成部分。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)所處的自然環(huán)境、氣象條件等，選擇合理的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法。作為我國(guó)高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的首條鐵路客運(yùn)專線，哈齊客專橋梁設(shè)計(jì)充分考慮了極端氣溫低、年溫差大的氣候特點(diǎn)。既關(guān)注結(jié)構(gòu)主體，又兼顧附屬設(shè)計(jì)。至今，哈齊客專橋梁基礎(chǔ)施工已大部完成，梁部架設(shè)施工正在進(jìn)行。

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