鐵路縱向Y型橋墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

仝 波 陳 杰

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

1 概述

在我國，新建高鐵車站大都距離市區(qū)較遠(yuǎn)，若高鐵接入市區(qū)既有車站，往往會(huì)面臨鄰近營業(yè)線施工、既有建筑改建及拆遷困難、隱蔽工程影響施工等問題。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：肖婧[13]研究了鐵路非標(biāo)墩的設(shè)計(jì)，避免了在孔跨中出現(xiàn)非標(biāo)梁的情形，但是縱向調(diào)節(jié)跨度只有2 m左右；劉彥明[8]提出了轉(zhuǎn)體V型T構(gòu)方案，但該方案本身不具備調(diào)整跨度的功能。吳岐賢等[10，15]分析了Y型墩剛構(gòu)橋的力學(xué)參數(shù)；王吉盈等[9，14]介紹了V型剛構(gòu)橋的特點(diǎn)。以某高鐵接入市區(qū)車站 工程為例，對(duì)縱向Y型橋墩的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了縱向Y型橋墩，墩高20 m，墩頂縱向長15.11 m，主梁長11.91 m，墩梁固結(jié)，將原設(shè)計(jì)此處(40+24) m簡支梁調(diào)整為32 m簡支梁+11.91 m縱向Y型墩+20 m簡支梁方案，如圖1所示。

圖1 工點(diǎn)立面(單位：cm)

因?yàn)榫€路高程發(fā)生變化，墩頂拉桿采用變厚度，跨中截面為5.0 m×1.5 m，Y型斜柱按2∶1放坡，截面為5.0 m×1.8 m，豎向立柱截面為5.0 m×4.0 m。為不侵占人行道，本橋墩豎向立柱需切去1.3 m×0.6 m的角，橋墩構(gòu)造大樣如圖2和圖3所示。

圖2 橋墩正視側(cè)視示意(單位：cm)

圖3 橋墩剖面示意(單位：cm)

3 設(shè)計(jì)原則

3.1 荷載

活載：ZK活載；

制動(dòng)力：取計(jì)算長度內(nèi)活載的10%，當(dāng)與離心力或豎向動(dòng)力作用時(shí)取7%；

溫度作用力：整體升溫25 ℃，整體降溫20 ℃；

工點(diǎn)曲線半徑取600 m，離心力以及風(fēng)力、搖擺力、土壓力等均依規(guī)范取值[1]。

3.2 剛度控制因素

4 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 剛度設(shè)計(jì)

高鐵橋墩的縱向水平線剛度對(duì)于橋上軌道及橋梁結(jié)構(gòu)本身的安全十分重要[5]，但在豎向力作用下，橋墩也會(huì)有水平位移，且比水平力的作用更大。因此，提出了采用豎向力和水平力共同作用來計(jì)算縱向剛度的解決方案：依據(jù)鐵路列車制動(dòng)力的取值特點(diǎn)[1]，豎向力取水平力的10倍，如圖4所示，用該水平力與水平位移的比值作為本橋墩的縱向剛度。

圖4 縱向Y型墩剛度評(píng)估模型

本橋墩的縱向剛度為

KZ=FH/S

(1)

式中，KZ為Y型墩縱向線剛度/(kN/cm)，F(xiàn)H為作用墩頂水平力/kN，S為考慮基礎(chǔ)剛度、在水平力和豎向力共同作用下的墩頂水平位移/cm。

在豎向力作用下，橋墩會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的彎矩，而基礎(chǔ)的抗彎剛度決定了橋墩的墩頂位移值[4]。在水平力100 kN和豎向力1 000 kN作用下，不同樁基布置下的剛度設(shè)計(jì)值見表1。由表1可知，考慮豎向力與否，剛度值差距在4倍左右；基礎(chǔ)的抗彎剛度越大，即順橋向樁間距增大，橋墩的縱向線剛度也越大[7]。實(shí)際施工中采用8-φ1.5 m樁基布置，縱向線剛度為255 kN/cm，滿足規(guī)范要求[1]。

表1 不同基礎(chǔ)布置形式縱向線剛度

4.2 撓度評(píng)價(jià)

橋墩左側(cè)為32 m簡支梁，右側(cè)為20 m簡支梁，32 m簡支梁在ZK靜活載作用下?lián)隙葹?.91 mm，Y型橋墩在列車反力作用下墩頂豎向下移1.85 mm，水平左移3.92 mm，故左側(cè)32 m簡支梁組合撓度為(8.91+1.85) mm=10.76 mm，小于規(guī)范13.7 mm的限值，滿足要求。

4.3 疲勞荷載

在列車活載作用下，橋墩會(huì)受到來回反復(fù)的縱向彎矩作用，這是一個(gè)疲勞受力特征。規(guī)范[2]要求“對(duì)承受疲勞荷載作用的構(gòu)件，應(yīng)檢算鋼筋應(yīng)力幅”。疲勞荷載為運(yùn)營階段設(shè)計(jì)活載，本橋墩采用兩根一束28號(hào)主筋布置[12]，在橋墩兩側(cè)活載作用下(考慮沖擊系數(shù))，得到應(yīng)力幅值為87.3 MPa，滿足規(guī)范要求[2]。

4.4 應(yīng)力控制

橋墩及主梁均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其墩頂應(yīng)力較為復(fù)雜[3，11]，故采用實(shí)體模型進(jìn)行分析[6]。模擬分析表明，主拉應(yīng)力集中在Y型框架的內(nèi)緣交匯處。墩頂?shù)睦瓧U是一個(gè)受拉為主的拉彎構(gòu)件，其主拉應(yīng)力在1.1～3.9 MPa之間，以右側(cè)倒角交匯位置處最大(如圖5所示)；主梁腹板的受拉應(yīng)力約為0.6 MPa，未超過混凝土主拉應(yīng)力，腹板受力表現(xiàn)出深梁的受力特點(diǎn)，主拉應(yīng)力沿腹板截面斜向45°；底板主拉應(yīng)力(順線路方向)發(fā)生在支座下緣部位，“恒載+左側(cè)主梁有車(單孔重載)”應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 主要部位主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

圖5 Y型墩頂部主拉應(yīng)力云圖

受拉區(qū)的鋼筋布置如圖6和圖7所示，由圖6可知，在受拉區(qū)倒圓角，形式上相對(duì)美觀，但設(shè)置互相交叉(呈凹角)的單獨(dú)鋼筋較為困難[2]。由圖7可知，其鋼筋受力更加明確，施工方便，故本次設(shè)計(jì)采用圖7所示的鈍角過渡形式及鋼筋布置。

圖6 受拉區(qū)圓角過渡鋼筋布置

圖7 受拉區(qū)鈍角過渡鋼筋布置

4.5 運(yùn)架梁工況

在運(yùn)架梁工況下，橋墩縱向水平位移對(duì)架橋機(jī)穩(wěn)定性的影響較大，在架橋機(jī)前支腿作用在Y型墩主梁左端的工況下，墩頂水平彈性位移約為13.5 mm，豎向位移為6.2 mm；梁頂縱向水平彈性位移約為15.9 mm，豎向位移約為5.7 mm。施工中要考慮其對(duì)架橋機(jī)穩(wěn)定性及架梁精度的影響。

5 結(jié)論

(1)在鐵路縱向Y型橋墩設(shè)計(jì)中，采用單側(cè)豎向力和10%豎向力(作為水平力)的共同作用，并由此評(píng)估縱向剛度。

(2)提高樁基的縱向間距是提高縱向Y型墩墩頂線剛度的有效措施。

(3)在活載作用下，立柱會(huì)有來回反復(fù)彎矩，故立柱的鋼筋布置要考慮疲勞荷載的影響。

(4)在Y型框架內(nèi)緣交匯位置有著典型的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)重點(diǎn)考慮局部構(gòu)造處理和鋼筋布置形式。