山區(qū)高速鐵路高墩設(shè)計(jì)研究

陳 宇

(中鐵二院重慶公司，重慶 400023)

山區(qū)高速鐵路高墩設(shè)計(jì)研究

陳 宇

(中鐵二院重慶公司，重慶 400023)

對(duì)山區(qū)高速鐵路高墩進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，分別對(duì)縱向線剛度、縱橫向位移、整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性以及強(qiáng)度進(jìn)行靜力計(jì)算，并按規(guī)范要求進(jìn)行檢算，提出在滿(mǎn)足規(guī)范要求情況下，設(shè)計(jì)山區(qū)高速鐵路高橋墩時(shí)應(yīng)控制的計(jì)算指標(biāo)。

高速鐵路，高墩，剛度，穩(wěn)定性，強(qiáng)度

1 概述

隨著國(guó)家高速鐵路的陸續(xù)建成通車(chē)，高速鐵路給人們的出行帶來(lái)了很大的便利，同時(shí)縮短了旅途的時(shí)間，大大的減少了城市與城市之間的距離。在國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)的大戰(zhàn)略背景下，西部建設(shè)高鐵的步伐也逐漸加快，即將建成通車(chē)的蘭渝線、成渝線等，在建的成貴線、成蘭線、渝萬(wàn)線、渝黔線等，已經(jīng)建成通車(chē)的成綿樂(lè)城際、貴廣高鐵等。由于西部山區(qū)地形復(fù)雜、山高坡陡，受限于地形、地貌條件的影響，同時(shí)也受限于鐵路線形半徑及坡度的影響，高速鐵路的橋梁不得不跨越深溝、河谷，有些墩高幾十米甚至上百米；隨著西部高速鐵路進(jìn)一步的建設(shè)發(fā)展，高墩的應(yīng)用不可避免，也會(huì)越來(lái)越多。針對(duì)山區(qū)高速鐵路橋梁高墩的設(shè)計(jì)，本文對(duì)橋墩強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性方面做出相應(yīng)計(jì)算研究。

2 山區(qū)高速鐵路高墩類(lèi)型及特點(diǎn)

在鐵路設(shè)計(jì)中，墩高在50 m以上為高墩。為節(jié)約圬工數(shù)量，根據(jù)橋墩的受力特點(diǎn)，高墩采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有截面面積小、截面模量大、自重輕、結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度較好的特點(diǎn)。鐵路高墩分為矩形空心墩、圓端形空心墩、圓形空心墩；一般情況下，位于山區(qū)溝谷無(wú)河流的地形中采用矩形空心墩，位于城市附近或城市中以及能滿(mǎn)足行洪要求的河流中采用圓端形空心墩，位于行洪有特別要求的河流中采用圓形空心墩。圖1為典型高墩截面。

3 高墩靜力設(shè)計(jì)研究

橋墩靜力計(jì)算時(shí)采用的受力模式為墩底彈性連接、墩頂無(wú)約

束的懸臂結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮上部簡(jiǎn)支梁梁部荷載、列車(chē)活載、風(fēng)力、橫向搖擺力以及軌道結(jié)構(gòu)等荷載的影響。

3.1 縱向水平線剛度

3.2 縱、橫向位移

單線橋梁計(jì)算時(shí)上部荷載需考慮恒載、單孔輕載、單孔重載、雙孔重載、無(wú)縫線路縱向力組合、架橋機(jī)架梁荷載組合。

雙線橋梁計(jì)算時(shí)上部荷載需考慮恒載、雙線鋪軌單線行車(chē)一孔輕載、雙線鋪軌單線行車(chē)一孔重載、雙線鋪軌單線行車(chē)兩孔重載、雙線行車(chē)一孔輕載、雙線行車(chē)一孔重載、雙線行車(chē)雙孔重載、無(wú)縫線路縱向力組合(無(wú)車(chē))、無(wú)縫線路縱向力組合(單線有車(chē))、架橋機(jī)架梁荷載組合。

3.3 整體穩(wěn)定

橋墩在中心受壓以及偏心受壓時(shí)，其穩(wěn)定性按《鐵路橋涵混凝土及砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條款進(jìn)行計(jì)算，KN

3.4 局部穩(wěn)定

研究高墩的局部穩(wěn)定性，主要是為了確定墩身的最小壁厚。理論分析說(shuō)明，混凝土空心墩，當(dāng)t/R，t/b≥1/10～1/15時(shí)，局部失穩(wěn)臨界應(yīng)力與混凝土抗壓強(qiáng)度比較接近，其中，t為壁厚；R為圓形墩半徑；b為矩形墩邊長(zhǎng)；由此確定保證局部穩(wěn)定的最小壁厚滿(mǎn)足下式：

圓形墩：

矩形墩：

圓端形墩：

其中，D為墩直線段長(zhǎng)度。

3.5 強(qiáng)度計(jì)算

高墩進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)需檢算墩身的最大壓應(yīng)力以及最大拉應(yīng)力，同時(shí)計(jì)算出固端干擾段的長(zhǎng)度進(jìn)行加強(qiáng)配筋以及構(gòu)造加強(qiáng)處理。需滿(mǎn)足《鐵路橋涵混凝土及砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。

4 計(jì)算算例

渝萬(wàn)客專(zhuān)鹽井河雙線大橋是13×32+2×24簡(jiǎn)支箱梁，橋梁全長(zhǎng)485.6m，平均墩高43.5m，其中最大墩高為61m。橋址所在區(qū)域地層巖性主要是粉質(zhì)粘土、泥巖夾砂巖；橋位處地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，為6度地震區(qū)。選取鹽井河雙線大橋3號(hào),5號(hào),7號(hào)墩，墩高分別為53m,56m,61m進(jìn)行相應(yīng)靜力計(jì)算。擬定的墩形為圓端形，墩頂縱向尺寸為5.2m，橫向尺寸為9m，墩身外坡為40∶1，內(nèi)坡為60∶1，壁厚采用0.6m。

4.1 線剛度及位移計(jì)算結(jié)果及分析

在最不利荷載工況下，橋墩縱向組合線剛度以及縱向位移、橫向位移見(jiàn)表1。由結(jié)果可知，各墩的縱向組合線剛度均大于350kN/cm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。各墩的縱向位移均小于規(guī)范限值2.83cm，橫向位移均小于規(guī)范限值1.63cm。

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及分析

在最不利荷載工況下，橋墩的整體穩(wěn)定性及最小壁厚計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。各橋墩的順橋向彎曲穩(wěn)定系數(shù)以及橫橋向彎曲穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范要求的安全系數(shù)K=2.0，整體穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求；初步擬定的壁厚0.6 m也滿(mǎn)足最小壁厚的要求，局部穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

表2 整體穩(wěn)定系數(shù)及最小壁厚計(jì)算結(jié)果

4.3 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

在最不利荷載工況下，橋墩的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，各橋墩的強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

表3 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)鹽井河雙線大橋橋墩進(jìn)行靜力計(jì)算分析可知初步擬定尺寸的橋墩的縱向組合線剛度、縱向位移、橫向位移滿(mǎn)足規(guī)范要求；整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；強(qiáng)度檢算均滿(mǎn)足要求。在設(shè)計(jì)高墩時(shí)，建議對(duì)不同尺寸進(jìn)行多次試算，在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性要求的前提下，擬定出最優(yōu)橋墩尺寸。

[1] 鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.橋梁墩臺(tái)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[2] 馬朝霞，陳思甜，龔尚龍.高橋墩墩頂水平位移的計(jì)算與分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(12)：50-54.

[3] TB 10621—2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].

[4] 劉日圣.橋梁高墩截面形式探討及其穩(wěn)定性計(jì)算[J].山西建筑，2007，33(12)：14-15.

Plan of the high pier for high speed railway in mountainous area

Chen Yu

(ChinaRailwayEryuanChongqingCompany,Chongqing400023,China)

The static calculations and the inspecting calculations based on specification of longitudinal linear stiffness, longitudinal and lateral displacement, global and local stability and strength of the high pier for high speed railway in mountainous area are carried out. The calculation indexes, which should be considered during planning of the high pier, have been proposed in this paper.

high speed railway， high pier， stiffness, stability， strength

2015-02-02

陳 宇(1983- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0177-02

U443.22

A