昌景黃鐵路高框架墩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

邢 雨，左家強，萬 明

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津市 300142）

0 引言

在鐵路橋梁建造中,部分地區(qū)由于既有道路及管線錯綜復(fù)雜,橋梁小角度交叉點越來越多,而框架墩結(jié)構(gòu)由于靈活的布置方式，應(yīng)用越來越廣泛。我國鐵路采用跨區(qū)間無縫線路，為了保證橋上無縫線路的穩(wěn)定性和安全性，同時保證橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全，橋墩具有一定的剛度要求，因此橋墩越高，尺寸往往越大。

田萬俊等[1]對城市輕軌鐵路中采用的預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩的設(shè)計要點和方法進行了詳細(xì)介紹；宋順忱等[2-3]對津秦客運專線連續(xù)梁-框架墩體系結(jié)構(gòu)剛度、空間受力行為、地震響應(yīng)、溫度變形對結(jié)構(gòu)體系的影響、鋪設(shè)無砟軌道的適應(yīng)性等關(guān)鍵問題進行了研究；張世基[4]對重載鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩進行了實例分析；孫智峰[5]、歷付[6]對鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計進行了研究。

目前國內(nèi)鐵路尚無40 m以上高度框架墩結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計這種結(jié)構(gòu)時，需要依據(jù)鐵路框架墩的受力特點，依據(jù)工點具體情況，制定合適的設(shè)計方案。

1 工程概況

南昌經(jīng)景德鎮(zhèn)至黃山鐵路工程（昌景黃鐵路）景北折返線19~22號墩，初步設(shè)計擬采用框架墩結(jié)構(gòu)形式跨越景北右線（下層鐵路）及瓷源路（最下層公路），其墩高36.5~43 m。昌景黃鐵路為中國鐵設(shè)EPC總承包項目，設(shè)計單位提供的初步設(shè)計方案立面圖、平面圖見圖1、圖2。

圖1 初步設(shè)計方案立面圖（單位：cm）

圖2 初步設(shè)計方案平面圖

景北折返線、景北右線以下分別簡稱上層鐵路、下層鐵路，關(guān)鍵邊界條件如下：

（1）線路條件：上下層均為單線鐵路；設(shè)計速度目標(biāo)值200 km/h；景北折返線位于直線段落，景北右線位于緩和曲線段落（R=800 m）。

（2）軌道標(biāo)準(zhǔn)：上下層均鋪設(shè)無縫線路，單位長度鋼軌質(zhì)量60 kg/m。

（3）軌道類型及軌道高度：上下層均采用有砟軌道，軌頂(內(nèi)軌軌面）至梁頂0.886 m。

（4）設(shè)計活載：ZK活載。

（5）地震動峰值加速度a=0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

2 鐵路框架墩受力特點研究

2.1 鐵路框架墩荷載特點研究

鐵路框架墩結(jié)構(gòu)平面一般垂直于線路方向（或稍微偏離垂線），其承受的荷載可以分為平面外荷載、平面內(nèi)荷載、其他荷載。

鐵路框架墩所承受的平面外荷載一般包括：縱向風(fēng)力、鋼軌伸縮力、鋼軌撓曲力、鋼軌斷軌力、列車制動力、順橋向地震力等。當(dāng)受到順線路方向的作用力時，其結(jié)構(gòu)模型類似于普通鐵路橋墩，結(jié)構(gòu)模型可以抽象為一端固結(jié)的懸臂桿，計算比較簡單，但墩頂縱向位移對結(jié)構(gòu)尺寸影響較大。

鐵路框架墩索承受的平面內(nèi)荷載又分為豎向力與橫向水平力。一般來說，鐵路框架墩承受較大的豎向荷載，通過支座直接作用在框架墩橫梁上，包括箱梁與軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量、列車豎向荷載、運架梁荷載等。以昌景黃鐵路單線32 m有砟簡支梁為例，其支座豎向反力見表1。

表1 支座豎向反力 單位：kN

鐵路框架墩所承受的橫向水平力包括離心力、搖擺力、橫向風(fēng)力等。橫向水平力造成橫向撓度、水平折角，是橫向剛度的主要控制荷載。橫向水平力對平面內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)力也有一定影響，但數(shù)值較小，以橫向搖擺力為例，《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）規(guī)定，高速鐵路橫向搖擺力取80 kN，與豎向荷載不在一個數(shù)量級。

其他荷載包括基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度荷載等，一般與結(jié)構(gòu)剛度、基礎(chǔ)剛度關(guān)聯(lián)性較大；剛度越大，沉降及溫度造成的內(nèi)力越大[7]。

2.2 鐵路框架墩內(nèi)力特點研究

框架墩下部一般采用樁基礎(chǔ)，一些研究認(rèn)為框架墩力學(xué)模型可以抽象為下部約束是介于鉸接與固結(jié)之間的剛架結(jié)構(gòu)，但需要研究得出結(jié)論。根據(jù)上述分析，鐵路框架墩所承受的荷載主要為通過支座傳遞下來的豎向集中力，故可以通過建立Midas模型，分析框架墩受力特點。

圖3~圖5為同一結(jié)構(gòu)尺寸的剛架墩底分別為固結(jié)、鉸接以及采用輸入基礎(chǔ)剛度[8]時，橫梁施加1 000 kN豎向力時的彎矩圖，其中輸入剛度與實際常規(guī)鐵路框架墩所采用的剛度數(shù)量級基本一致[8]。

圖3 固結(jié)模型彎矩圖（單位：kN·m）

圖4 鉸接模型彎矩圖（單位：kN·m）

圖5 輸入剛度模型彎矩圖（單位：kN·m）

由圖3~圖5可知，輸入剛度模型受力特點與固結(jié)剛架模型基本一致。進一步建立不同基礎(chǔ)剛度的Midas模型，得到如下結(jié)論：

（1）輸入剛度模型在荷載作用下存在整體位移，而固結(jié)模型不存在。

（2）固結(jié)模型在溫度及基礎(chǔ)不均勻沉降作用下造成的內(nèi)力非常大，相當(dāng)于輸入剛度模型的基礎(chǔ)剛度提高數(shù)個數(shù)量級。

因此，鉸接模型與鐵路框架墩實際受力特點不符；固結(jié)模型相對保守，會造成不必要的投資；輸入剛度模型較為符合鐵路工程實際。

3 雙層方案研究

通過對邊界條件的梳理，可以發(fā)現(xiàn)上下層鐵路橋跨布置基本對應(yīng)，且均屬昌景黃鐵路項目，可以同期施工。因此可以研究雙層框架墩方案，與原初步設(shè)計方案進行對比。

由圖2可知，初步設(shè)計方案中景北右線與景北折返線橋跨布置不一致，并存在較大夾角，因此作如下調(diào)整：

（1）下層景北右線18~19號墩之間原為24.6 m簡支梁，19~20號墩之間原為32.6 m簡支梁，為了與上層景北折返線跨度基本一致，將2片梁位置對調(diào)，即18~19號墩之間改為32.6 m簡支梁，19~20號墩之間改為24.6 m簡支梁。

（2）原初步設(shè)計框架墩橫梁中心線與上層景北折返線垂直，并與下層景北右線存在較大交叉角度。雙層框架墩布置時，橫梁中心線與景北折返線、景北右線均存在較小的斜交角度，以免橫梁過寬或增加齒塊結(jié)構(gòu)。

（3）調(diào)整框架墩平面位置，使得上下層箱梁合力作用于橫梁中心線。

調(diào)整后的雙層框架墩方案立面、平面布置圖見圖6~圖8。

圖6 雙層框架墩方案立面圖（單位：cm）

圖7 雙層框架墩方案平面圖（上層）

圖8 雙層框架墩方案平面圖（下層）

雙層框架墩方案與原方案相比，少了4個普通橋墩及相應(yīng)的樁基礎(chǔ)，但是多了4個橫梁及相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力。因此，在控制相同計算指標(biāo)的情況下，對其工程量及投資進行比較。方案工程量及投資對比見表2。

表2 方案工程量及投資對比

由表2可見，雙層框架墩方案較原方案節(jié)省投資128.7萬元，造價節(jié)省7%。

除此之外，雙層框架墩方案還存在以下優(yōu)點：

（1）雙層方案超靜定次數(shù)較高，具有較強的結(jié)構(gòu)魯棒性，安全可靠[9-10]。

（2）雙層方案多一道橫梁，極大改善了橫向剛度，避免了墩體橫向放坡。

（3）從模型圖上看，雙層方案十分穩(wěn)重，給人以一種安全感，并且雙層方案避免了原方案單層框架墩+普通墩交錯雜亂的視覺感，上下雙層的立體式交通具有現(xiàn)代氣息。

因此本工點采用雙層框架墩方案。

4 結(jié)構(gòu)計算

雙層框架墩上架設(shè)單線32 m或24 m預(yù)應(yīng)力簡支箱梁，墩全高36.5~43 m。

雙層框架墩參數(shù)表見表3。

表3 雙層框架墩參數(shù)表

景北折返線（上層）第19、20、21、22號架墩，對應(yīng)景北右線（下層）墩號為16、17、18、19，為便于說明分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號框架墩表示。框架墩橫梁計算跨度為22 m，采用矩形截面，順橋向?qū)?.2 m，高2.8 m，與墩相接處設(shè)置加腋；墩柱橫橋向（垂直線路方向）墩底寬3.0 m，順橋向（沿線路方向）墩頂寬3.6 m，向下按照1∶30放坡。使用Midas建立雙層框架墩有限元模型，見圖9。

圖9 雙層框架墩有限元模型

4.1 剛度檢算

鐵路鋼軌除了受到列車運營時的動彎力及長鋼軌鎖定時的溫度應(yīng)力以外，還要承受由于梁體伸縮變形和列車制動引起的附加應(yīng)力，因此需要保證軌道的強度和穩(wěn)定性，而這些附加應(yīng)力的值與下部結(jié)構(gòu)的剛度以及橋梁跨度是密切相關(guān)的。此前國內(nèi)最高鐵路框架墩為京石客專左聯(lián)特大橋某框架墩（38.5 m）[11-12]，而本工點結(jié)構(gòu)高度最大的Ⅳ號墩高達43 m，為了增加縱向剛度，采用放坡增大尺寸的方法。Ⅳ號墩墩頂縱向?qū)?.6 m，向下按照1∶30放坡，墩底縱向?qū)掃_6.467 m。

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》第5.4.3節(jié)規(guī)定，當(dāng)不做梁-軌共同作用分析時，墩臺頂縱向水平剛度不宜小于表4所示的客貨共線、高速鐵路墩臺頂縱向水平剛度限值。

表4 客貨共線、高速鐵路墩臺頂縱向水平剛度限值

對于本工點采用的雙層框架墩方案，上下兩層鐵路均為單線，存在3種不利工況：

（1）僅上層鐵路有列車通過。

（2）僅下層鐵路有列車通過。

（3）上下層鐵路列車同時通過（同向）。

因此，本工點雙層框架墩兼具單線、雙線鐵路下部結(jié)構(gòu)的特點，建議采用如下判評標(biāo)準(zhǔn)：

（1）按照雙線鐵路標(biāo)準(zhǔn)，在首層支座中心位置作用縱向單位力，滿足水平線剛度不小于350 kN/cm要求。

（2）按照單線鐵路標(biāo)準(zhǔn)，在首層及二層支座中心位置同時作用縱向單位力，雙層框架墩滿足水平線剛度不小于220 kN/cm要求（以墩頂位移進行判斷）。

結(jié)構(gòu)高度最大的Ⅳ號墩（43 m）按照上述標(biāo)準(zhǔn)施加荷載得到的剛度數(shù)值分別為385 kN/cm、261 kN/cm，滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。此外，《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求的豎向梁端轉(zhuǎn)角、靜活載撓度、墩頂縱橫向位移、徐變變形等其余剛度指標(biāo)也滿足要求。

4.2 強度檢算

以Ⅳ號墩為例，在框架墩自重與箱梁荷載等豎向荷載作用下，Ⅳ號墩承受豎向荷載的內(nèi)力圖見圖10。根據(jù)該內(nèi)力圖，布置上下橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束。Ⅳ號墩上下層橫梁預(yù)應(yīng)力布置見圖11、圖12，鋼束彎起位置隨支座位置進行調(diào)整。

圖10 Ⅳ號墩承受豎向荷載內(nèi)力圖

圖11 Ⅳ號墩上層橫梁預(yù)應(yīng)力布置

圖12 Ⅳ號墩下層橫梁預(yù)應(yīng)力布置

框架墩橫梁控制位置檢算結(jié)果見表5，表中應(yīng)力數(shù)值拉為負(fù)，壓為正。

經(jīng)檢算，上下層橫梁運營工況下均保持全截面受壓，截面強度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)、主應(yīng)力等各項指標(biāo)均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。由表5可知，框架墩墩柱按照鋼筋混凝土橋墩進行檢算，混凝土壓應(yīng)力、鋼筋拉應(yīng)力及裂縫寬度均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。

表5 框架墩橫梁控制位置檢算結(jié)果

本工點采取先支架現(xiàn)澆下層結(jié)構(gòu)并預(yù)留接長鋼筋，待下層運架梁結(jié)束后繼續(xù)施工上層立柱及橫梁的施工步驟，施工工況又分為上層橫梁停、運、架工況及下層橫梁停、運、架工況。經(jīng)檢算，各施工工況橫梁及墩柱檢算均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。

5 結(jié) 語

（1）鐵路框架墩以承受豎向荷載為主，其結(jié)構(gòu)可以用輸入基礎(chǔ)剛度剛架模型進行模擬。

（2）對于本工點而言，雙層框架墩方案較原方案造價節(jié)省7%，并且更加安全、美觀。

（3）本工點采用放坡增大墩寬的方法確保結(jié)構(gòu)縱向剛度，并提出了雙層框架墩剛度限值的2種標(biāo)準(zhǔn)。

（4）按照本方案提出的結(jié)構(gòu)尺寸及配束方案，橫梁、墩柱運營工況及施工工況下各檢算結(jié)果均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。

（5）昌景黃鐵路雙層框架墩最高43 m，為目前國內(nèi)最高的鐵路框架墩結(jié)構(gòu)。本研究為國內(nèi)鐵路類似項目的建設(shè)提供了借鑒意義。