哈大客運(yùn)專線鐵路雙線單圓柱橋墩設(shè)計(jì)

韓俊環(huán)

(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

哈大客運(yùn)專線鐵路多處跨越河流，在跨越河流時(shí)，采用常用的雙線圓端形橋墩或矩形橋墩，墩型為半流線形及非流線形橋墩，會(huì)造成水流不暢。尤其是斜交角度較小的河流，阻水嚴(yán)重，造成局部沖刷很深，不僅對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在安全隱患，也不能滿足水利部門對(duì)河道防洪的要求。為此，在哈大客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，提出了跨越河流采用雙線單圓柱橋墩的設(shè)計(jì)思路。單圓柱橋墩為流線墩型，水文分析表明，斜交河流采用單圓柱橋墩可以有效緩解水流的干擾，減小沖刷深度。哈大客運(yùn)專線鐵路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，列車高速行駛時(shí)必須具有足夠的安全性和舒適性，合理的橋墩剛度限值是單圓柱橋墩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。下面就單圓柱橋墩設(shè)計(jì)中一些問題進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

2 橋墩構(gòu)造形式

2.1 墩身截面選擇

為了實(shí)用性好、施工簡(jiǎn)便、易于養(yǎng)護(hù)維修，橋墩墩身按照不同高度，根據(jù)計(jì)算比較分別采用直徑4.0 m直坡，適用于墩高12 m及以下;墩頂直徑4.0 m、坡率n=15的圓形變截面，適用于墩高大于12～20 m。直、曲線上采用相同的橋墩截面尺寸。

2.2 頂帽尺寸擬定

高速鐵路對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體美觀有一定的要求，單圓柱橋墩一般用在某個(gè)工點(diǎn)的跨河部分，很少單獨(dú)采用，頂帽在外形設(shè)計(jì)上，做到盡量與全橋采用的其他形式的橋墩頂帽相似，既保證了景觀的協(xié)調(diào)，又保證了單圓柱墩自身的流線形。頂帽順橋向?qū)挾扔?.2 m漸變?yōu)?.7 m，橫橋向?qū)挾葹?.0 m，與墩身通過圓弧過渡相接，避免了以往單圓柱橋墩頭重腳輕的感覺。注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，頂帽四角抹成0.5 m的圓角，頂帽上設(shè)置了排水坡。為便于支座的檢查及維修工作，在墩頂設(shè)置進(jìn)人凹槽。頂帽、托盤及墩身相互間不設(shè)飛檐。墩頂預(yù)留了頂梁、維修和更換支座位置。采用加高式支承墊石，梁底至墩頂按60 cm考慮。橋墩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋墩結(jié)構(gòu)(單位:cm)

3 設(shè)計(jì)荷載

3.1 恒載

包括梁部結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)加應(yīng)力及基礎(chǔ)變位等。

3.2 列車活載［1］

采用“ZK活載”，荷載圖式見圖2。

圖2 ZK標(biāo)準(zhǔn)活載圖式(一)(單位:m)

(1)設(shè)計(jì)加載時(shí)，活載圖式可任意截取。對(duì)多符號(hào)影響線，活載圖式可隔開，即在同符號(hào)影響線各區(qū)段進(jìn)行加載，中間的異符號(hào)影響線區(qū)段不加載。根據(jù)ZK標(biāo)準(zhǔn)活載分別作用于每一條線，選定產(chǎn)生基底最大應(yīng)力及最大偏心時(shí)的最不利荷載位置。雙線荷載作用時(shí)按100%計(jì)，不予折減。

(2)頂帽和鋼筋混凝土墩身結(jié)構(gòu)考慮列車活載的動(dòng)力作用。

(3)橋梁在曲線上時(shí)，應(yīng)考慮列車豎向靜活載產(chǎn)生的離心力。離心力的大小等于ZK靜活載乘以系數(shù)C，C按下列公式進(jìn)行計(jì)算

式中 V——設(shè)計(jì)速度，km/h;

R——曲線半徑，m;

L——橋上曲線部分荷載長度，m;

f——荷載折減系數(shù)。當(dāng)V＞300 km/h時(shí)，取V=300 km/h計(jì)算f值。當(dāng)V≤120 km/h時(shí)，f值取1.0。當(dāng)計(jì)算f值大于1.0時(shí)取1.0。

離心力按水平向外作用于軌頂以上1.8 m處。

(4)制動(dòng)力或牽引力按列車豎向靜活載的10%計(jì)算，但當(dāng)與離心力或列車的豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，則按豎向靜活載的7%計(jì)算。雙線橋采用一線的制動(dòng)力或牽引力。

(5)橫向搖擺力取100 kN，作為一個(gè)集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。雙線橋只計(jì)算任一線上的橫向搖擺力。

3.3 無縫線路作用于墩臺(tái)頂?shù)目v向水平力［3］

無縫線路長鋼軌伸縮力、撓曲力和斷軌力引起的墩臺(tái)頂縱向水平力，按梁軌共同作用進(jìn)行計(jì)算，并作用于墩臺(tái)上的支座中心處。斷軌力為特殊荷載，只計(jì)1根鋼軌的斷軌力。

(1)無縫線路作用于橋墩頂?shù)目v向力組合原則。

①同一股鋼軌作用于墩頂?shù)纳炜s力、撓曲力和斷軌力相互獨(dú)立，不作疊加;

②伸縮力、撓曲力和斷軌力不與同線的豎向活載、離心力、牽引力或制動(dòng)力組合;

③伸縮力、撓曲力按主力考慮，斷軌力按特殊荷載考慮。

(2)考慮無縫線路作用而增加的力的組合。

①主力(雙線無車):恒載+4股鋼軌作用于墩頂?shù)纳炜s力或車前撓曲力;

②主力+縱向附加力(一線有車、一線無車):恒載+活載+一線列車制動(dòng)力或牽引力+另一線2股鋼軌作用于墩頂?shù)纳炜s力或車前撓曲力+其他縱向附加力;

③主力+特殊荷載(雙線無車):恒載+一線一股鋼軌作用于墩頂?shù)臄嘬壛?另一股鋼軌作用于墩頂?shù)纳炜s力+另一線2股鋼軌作用在橋梁上的伸縮力或車前撓曲力;

④主力+特殊荷載(一線有車，一線無車):恒載+一線活載+另一線一股鋼軌斷軌力+另一線一股鋼軌伸縮力。

4 墩頂水平線剛度確定

為滿足無縫線路軌道的受力及行車舒適性，橋墩設(shè)計(jì)提出墩頂縱向水平線剛度限值要求。但規(guī)范上對(duì)于橋墩的橫向剛度沒有明確規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)可按荷載作用下的橋墩橫向水平位移差引起的相鄰結(jié)構(gòu)物橋面處軸線間的水平折角不超過1‰來控制。對(duì)于雙線鐵路，板式橋墩橫向尺寸較大，一般縱向水平剛度控制設(shè)計(jì)，當(dāng)橋墩不很高時(shí)橫向水平剛度都能滿足要求。雙線單圓柱墩由于縱橫向尺寸一致，相對(duì)其他墩型橫向剛度較弱。較大的橫向剛度，可以保證列車運(yùn)行的安全性、舒適性和穩(wěn)定性，確保橋上不出現(xiàn)過大的橫向振動(dòng)，減少橋上軌道的養(yǎng)護(hù)維修。故此，合理的橋墩剛度限值是單圓柱橋墩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。按照《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，簡(jiǎn)支梁墩頂最小縱向水平線剛度 K最小(kN/cm·雙線)必須滿足表1要求。

表1 墩頂最小縱向水平線剛度限值［1］

墩頂水平總位移為墩身彈性水平位移、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的墩頂水平位移及與基礎(chǔ)位移三者之和。其他墩型的橋墩設(shè)計(jì)時(shí)按單位力墩身位移占單位力總位移的60% ～40%的擬定墩身尺寸［5，6］。圓形橋墩基礎(chǔ)橫向尺寸相對(duì)較小，橫向抗位移能力較弱，如采取增大基礎(chǔ)橫向尺寸來提高橫向總剛度，減小橫向位移，基礎(chǔ)尺寸會(huì)明顯增大，工程造價(jià)高，技術(shù)不合理。經(jīng)過計(jì)算分析，通過調(diào)整墩身尺寸滿足總位移要求是最經(jīng)濟(jì)的辦法。同時(shí)，雙線單圓柱橋墩基本為跨越河流時(shí)采用，加大基礎(chǔ)尺寸會(huì)帶來橋墩局部沖刷加大，基礎(chǔ)剛度會(huì)隨之削弱?？紤]以上2個(gè)因素，單圓柱橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，確定合理的墩身位移占總位移的比值，才能使橋墩設(shè)計(jì)合理。根據(jù)哈大客運(yùn)專線的單圓柱橋墩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定墩身位移占總位移的比值不宜超過40%。

5 橋墩設(shè)計(jì)檢算

5.1 頂帽

按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算原理配置了滿足強(qiáng)度所需的抗彎鋼筋、抗剪斜筋及箍筋。

5.2 墩身

(1)實(shí)體混凝土橋墩按混凝土偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。除墩身整體縱向穩(wěn)定性和截面強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求外，還應(yīng)符合以下要求。

①墩身截面合力偏心距e要考慮彎矩增大系數(shù)的影響須符合下列規(guī)定:

主力 e≤0.5S;

主力+附加力 e≤0.5S;

主力+特殊力(無縫線路斷軌力)e≤0.7S

S沿截面重心與合力作用點(diǎn)的連線上量取，自截面重心至該連線與截面外包輪廓線交點(diǎn)的距離。

②墩身外側(cè)根據(jù)構(gòu)造要求設(shè)置護(hù)面鋼筋。

(2)鋼筋混凝土橋墩按鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。墩身裂縫寬度除按現(xiàn)行《鐵路橋梁規(guī)范》辦理外，還要滿足耐久性要求。

(3)橋墩頂面彈性水平位移Δ按以下原則進(jìn)行檢算。

式中 L——橋梁跨度，m，當(dāng)為不等跨時(shí)，L采用相鄰跨中較小跨的跨度;

Δ——對(duì)應(yīng)橋墩位置的橋面處橫向水平位移，mm，包括由于墩身和基礎(chǔ)彈性變形以及基底土彈性變形的影響。

橫橋方向:按《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于1.0‰。按表2的要求控制對(duì)應(yīng)橋墩位置的橋面處橫向位移，即滿足規(guī)范要求。

表2 橫向位移限值 cm

5.3 地震力計(jì)算［4］

按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用反應(yīng)譜理論對(duì)下部結(jié)構(gòu)地震力加以計(jì)算。計(jì)算時(shí)把墩身簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)體系，基礎(chǔ)簡(jiǎn)化為彈簧作用在基底。計(jì)算順橋向地震力時(shí)，將一孔梁作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)作用于墩頂;計(jì)算橫向地震力時(shí)考慮各墩共同分擔(dān)梁體質(zhì)量，梁體的地震力作用于梁高1/2處，計(jì)入50% 活載引起的地震力，作用于軌頂以上2 m處;同時(shí)還要考慮橋上無車時(shí)的情況。

在抗震構(gòu)造措施上，考慮延性設(shè)計(jì)要求采取加強(qiáng)措施:混凝土實(shí)體橋墩配置護(hù)面鋼筋，在連接部位加強(qiáng)箍筋設(shè)計(jì);鋼筋混凝土橋墩塑性鉸區(qū)域加強(qiáng)箍筋配置，間距不大于10 cm，配箍率一般不低于配筋率的1/4，且不低于0.3%;墩身豎向鋼筋深入基礎(chǔ)底部并與底部鋼筋連接。

5.4 耐久性設(shè)計(jì)［2，6］

客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)中，橋墩的耐久性設(shè)計(jì)日益得到重視，橋梁設(shè)計(jì)明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命為100年的目標(biāo)。影響結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素有:結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料性能、施工質(zhì)量、構(gòu)件養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營維護(hù)等。橋墩設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行合理研究。

(1)采用具有良好的工作性、均勻性、密實(shí)性、抗裂性的高性能混凝土。

(2)采取必要構(gòu)造措施。

①采用的結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)盡可能隔絕或減輕環(huán)境對(duì)混凝土的作用;

②防止或控制混凝土開裂，橋墩結(jié)構(gòu)棱角盡可能做成圓角;

③增加鋼筋保護(hù)層厚度。橋墩墩身設(shè)計(jì)時(shí)混凝土保護(hù)層厚度按5 cm考慮;

④橋墩結(jié)構(gòu)上設(shè)置排水管，墩頂設(shè)排水坡。

(3)對(duì)所用骨料進(jìn)行成分分析及堿活性試驗(yàn)，防止堿骨料反應(yīng)。

(4)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的防腐處理。

(5)為運(yùn)營后的定期檢查和維護(hù)，充分考慮養(yǎng)護(hù)維修的需要，在橋墩上設(shè)置了吊籃和檢查梯。

6 結(jié)語

結(jié)合哈大客運(yùn)專線設(shè)計(jì)完成的橋梁雙線單圓柱橋墩設(shè)計(jì)，結(jié)合水文情況、客運(yùn)專線水平線剛度限值要求，合理確定了墩身直徑，滿足河道行洪的同時(shí)又能滿足客運(yùn)專線運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性。目前，單圓柱橋墩已經(jīng)在多條客運(yùn)專線跨河橋梁上采用。

［1］TB 10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］TB 10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［3］鐵道科學(xué)研究院.新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.北京:鐵道科學(xué)研究院，2003.

［4］GB5011—2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2009.

［5］施威.無縫線路單線鐵路鋼筋混凝土單圓柱橋墩設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(7):35-37.

［6］甄津津.客運(yùn)專線鐵路常用跨度橋梁橋墩設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(2):32-35.

［7］朱敏，陳列，等.武廣鐵路客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)研究分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(1):100-104.

［8］李杰.關(guān)于提高簡(jiǎn)支梁橋中、高橋墩橫向剛度的探討［J］.鐵道建筑，2004(8):27-30.

［9］韓俊環(huán).津?yàn)I輕軌伸縮區(qū)與固定區(qū)橋墩設(shè)計(jì)差異分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(8):78-79.

［10］蔡德強(qiáng).廣珠城際軌道實(shí)體橋墩設(shè)計(jì)分析［J］.橋梁建設(shè)，2010(2):49-51.