鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計(jì)影響因素分析

王 君

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如日中天，線(xiàn)路規(guī)劃網(wǎng)越來(lái)越密集。由于既有道路、管線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜，在新建鐵路橋梁建設(shè)中，相交線(xiàn)在平面上發(fā)生沖突的問(wèn)題越來(lái)越多。這種情況下無(wú)法采用普通獨(dú)柱墩，為了不影響下方線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)，常在設(shè)計(jì)中利用框架墩結(jié)構(gòu)來(lái)解決新建線(xiàn)小角度跨越鐵路干線(xiàn)、高等級(jí)道路或復(fù)雜管線(xiàn)等的問(wèn)題。本文將著重對(duì)鋼橫梁框架墩結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)影響較大的一些因素進(jìn)行分析研究。

1 框架墩方案

框架墩結(jié)構(gòu)具有布置靈活、跨越能力強(qiáng)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。在選定框架墩方案時(shí)，首先應(yīng)考慮該設(shè)計(jì)軌面高度下，框架墩的橋下凈空和跨度是否能滿(mǎn)足所跨鐵路干線(xiàn)或高等級(jí)道路的建筑限界要求[2,3]。根據(jù)材料類(lèi)型，常見(jiàn)框架墩可分為預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁框架墩和鋼橫梁框架墩[4]?？缭焦窌r(shí)建筑限界示意圖見(jiàn)圖1。

根據(jù)所跨越的建筑限界要求初步確定框架墩的墩高和橫梁跨度后，進(jìn)行框架墩設(shè)計(jì)。由于框架墩為超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮基礎(chǔ)不均勻變位、溫度變化、混凝土收縮、徐變等的影響[5]。

2 框架墩設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)以某高速鐵路中一鋼橫梁框架墩為例，對(duì)設(shè)計(jì)中影響結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)因素作分析說(shuō)明?？蚣芏諜M跨22 m，上部梁跨為雙線(xiàn)有砟(32+32)m簡(jiǎn)支梁，受線(xiàn)路縱斷面控制，總墩高10 m?？缭借F路時(shí)建筑限界示意圖見(jiàn)圖2。

2.1 模型

采用Midas Civil有限元軟件建立鋼橫梁框架墩模型，如圖3所示。

2.2 基礎(chǔ)剛度影響研究

框架墩結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)約束條件十分敏感，左、右柱基礎(chǔ)有時(shí)按同樣的地質(zhì)資料設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)剛度難以準(zhǔn)確模擬。模擬約束較實(shí)際強(qiáng)時(shí)，橫梁設(shè)計(jì)不安全，同時(shí)立柱和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)較困難；模擬約束較實(shí)際弱時(shí)，情況正相反，橫梁設(shè)計(jì)困難而立柱和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)不安全[2]。

圖4，圖5為主+附工況下，左右墩柱柱頂和柱底在不同基礎(chǔ)剛度作用下的截面內(nèi)力變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯?，隨著基礎(chǔ)剛度的增大，墩柱截面的軸力值逐漸變小，但數(shù)值較穩(wěn)定，減小速率不明顯，而截面彎矩值陡然增大，2倍基礎(chǔ)剛度下的墩底軸力值約為0.5倍基礎(chǔ)剛度的0.97倍，而彎矩值達(dá)1.75倍。

由此可見(jiàn)，基礎(chǔ)約束模擬的強(qiáng)弱對(duì)結(jié)構(gòu)自身和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有著直接的影響。通常為結(jié)構(gòu)安全性以及耐久性考慮，框架墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)剛度進(jìn)行多次反復(fù)迭代試算，對(duì)基礎(chǔ)樁長(zhǎng)穩(wěn)定之后的基頂約束剛度值乘以系數(shù)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，小剛度控制橫梁變形及剛度等，大剛度控制墩柱和基礎(chǔ)的配筋[6]。

2.3 墩高影響研究

當(dāng)以較經(jīng)濟(jì)的線(xiàn)路縱斷面高度跨越既有線(xiàn)路時(shí)，受建筑限界控制，框架墩墩高往往很矮，墩高越小結(jié)構(gòu)整體剛度越大，對(duì)溫度作用和沉降等則更敏感[7]。

為明確墩高對(duì)設(shè)計(jì)的影響，仍以該墩為例，在1倍基礎(chǔ)剛度約束作用及其他邊界條件均不變的情況，僅改變其墩高，觀(guān)察溫度變化、基礎(chǔ)沉降和主+附工況引起的左、右墩柱頂和基頂截面內(nèi)力(見(jiàn)圖6～圖8)。

不難看出，隨著墩高的變化，基礎(chǔ)變位、溫度變化效應(yīng)引起的彎矩值變化十分明顯。墩高越小，基頂彎矩值越大。在主+附工況下，由于各種荷載作用的不利效應(yīng)疊加，墩高10 m的框架墩軸力為墩高20 m的0.88倍，但彎矩值為1.94倍，最大彎矩差值達(dá)7 580 kN·m(如圖9～圖11所示)。

可以發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)，框架墩墩高越矮，其剛度越大，溫度效應(yīng)、沉降等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響更加顯著，橫梁與墩柱的剛度比太小，容易出現(xiàn)立柱和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)困難的情況，建議選定框架墩方案時(shí)墩全高控制在合理高度范圍。

2.4 施工工藝影響研究

除以上外，施工方法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響也不容忽視[8]?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，既可以在吊裝完成鋼橫梁后直接灌注節(jié)點(diǎn)混凝土，也可以先將鋼橫梁吊裝至柱頂，待上部梁跨架設(shè)完成后灌注節(jié)點(diǎn)混凝土，完成橫梁和墩柱固結(jié)[9]。

圖12～圖15對(duì)比了以上兩種施工方法施工完成后，框架墩墩柱截面的恒載工況下內(nèi)力。

可以看出，兩種施工方法完成的框架墩結(jié)構(gòu)，在運(yùn)營(yíng)工況下墩柱截面軸力基本一致，但彎矩值差別很大。墩柱、橫梁固結(jié)后再架梁的施工工藝下框架墩墩頂、墩底截面彎矩均更大，這是由于鋼橫梁跨越能力強(qiáng)，跨度通常較大，架梁過(guò)程中橫梁與墩柱頂節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較大恒載彎矩，而在橫梁與墩柱鉸接的狀態(tài)下，鋼橫梁以受壓為主，節(jié)點(diǎn)處布置有臨時(shí)支座，可以釋放節(jié)點(diǎn)處彎矩。

因此，雖然先鉸接再固結(jié)的方法施工時(shí)相對(duì)較為繁瑣，仍建議一般的鋼橫梁框架墩優(yōu)先采用該施工工藝[10]。

3 結(jié)論

1)基礎(chǔ)剛度的強(qiáng)弱直接影響框架墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，由于基礎(chǔ)約束模擬無(wú)法達(dá)到高準(zhǔn)確性，因此通常選擇包絡(luò)設(shè)計(jì)以保證結(jié)構(gòu)的安全耐久。

2)框架墩墩高越小，整體剛度越大，溫度變化作用、基礎(chǔ)變位等對(duì)其產(chǎn)生的影響也越大，因此建議選定框架墩方案時(shí)其墩高不要太小，使墩柱與橫梁剛度比控制在合理高度范圍，以免墩柱和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)困難。

3)一般的鋼橫梁框架墩建議采用橫梁與墩柱先鉸接，架梁完成或二期鋪裝再墩梁固結(jié)，這樣可以有效釋放節(jié)點(diǎn)處恒載產(chǎn)生的橫向彎矩，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利。