安九鐵路跨既有合九線鋼橫梁門式墩設計

沈耀海 SHEN Yao-hai

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，鐵路建設如火如荼，城市建設也日新月異。不可避免的，新建鐵路與既有鐵路、公路、航道、油氣管道等的交叉也越來越普遍。尤其是新建鐵路在引入既有鐵路車站時，受現場條件限制，新建線往往以很小角度上跨既有線。兩線夾角、既有線寬度、立交凈空等條件，是控制設計方案的關鍵因素。

新建線小角度斜交上跨既有線常用“小跨度結構+門式墩”及大跨橋梁跨越兩種方案。其中“小跨度結構+門式墩”方案具有結構簡單、施工方便、節(jié)約投資、上部可采用標準簡支梁等優(yōu)點，應用較為廣泛[1][2][3]。本文結合新建安九鐵路孔壟上行聯絡線特大橋跨既有合九鐵路工程實例，研究新建鐵路小角度上跨既有線的鋼橫梁門式墩設計及實施方案。

1 工程概況

安九鐵路孔壟上行聯絡線上跨既有合九鐵路處孔壟上行聯絡線特大橋位于湖北省黃梅縣孔壟鎮(zhèn)，橋址位于長江沿岸沖積平原區(qū)，地形平緩，地面高程為5～18m。橋址范圍地層為人工填土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂、細圓礫土及砂巖等?；镜卣饎臃逯导铀俣?.05g，基本地震動反應譜特征周期為0.35s。

安九鐵路孔壟上行聯絡線為單線Ⅰ級電氣化鐵路，設計速度目標值為160km/h。既有合九鐵路為單線Ⅰ級鐵路，內燃預留電氣化條件。安九鐵路孔壟上行聯絡線與既有合九線交叉里程為KLSDK2+855.3，距既有孔壟站約3km。交叉處既有鐵路為路基段，路肩寬度約7.6m，路基填高為3.5～3.8m。

由于既有線與新建線交叉角僅為5°，無法采用大跨橋梁一跨跨越，故孔壟上行聯絡線特大橋58～65號墩設計采用8榀門式墩跨越既有合九鐵路，上部結構采用“通橋（2017）2101”系列32m標準簡支梁。為盡量減少施工過程中對既有合九線的干擾，降低既有合九線運營安全風險，門式墩墩柱基礎盡量不侵占既有線路基本體，同時考慮經濟性因素，門式墩鋼橫梁跨度設計為24m。平面布置如圖1所示。

圖1 孔壟上行聯絡線與既有合九鐵路交叉平面圖（單位：m）

2 方案研究

鐵路工程中常見的門式墩橫梁有預應力混凝土橫梁、鋼橫梁兩種形式[3]。預應力混凝土橫梁存在結構尺寸大、施工周期長等問題，且施工時需要搭設現澆支架，對既有線的運營安全影響較大，不適用于上跨既有線的情況。鋼橫梁存在結構尺寸小、自重輕、可通過工廠預制現場吊裝施工等優(yōu)點，安全性能較好，對既有鐵路的運營影響很小，非常適用于上跨既有線的情況，因此在新建鐵路上跨既有線的橋梁設計中應用較為廣泛[4][5]，本橋即采用鋼橫梁方案上跨既有鐵路。

門式墩墩柱采用鋼筋混凝土結構。鋼橫梁與墩柱有鉸接和固結兩種連接方式。鉸接連接需在墩柱頂、鋼橫梁下設置支座，此時鋼橫梁作為簡支結構受力簡單，但橫梁彎矩較大且墩柱無法分擔，從而導致橫梁截面較大，且鉸接連接的整體穩(wěn)定性較差。固結連接與鉸接相比，雖然墩頂分擔了橫梁彎矩后彎矩變大，但橫梁彎矩減小，進而可減小鋼橫梁的截面尺寸、縮減結構高度。本橋鋼橫梁與墩柱固結連接，采用“恒載鉸接、活載剛接”的模式。第一階段墩柱施工完畢后，將鋼橫梁吊裝后置于柱頂，只穿入節(jié)點連接鋼筋并臨時固定，暫不澆注節(jié)點混凝土，此時橫梁與墩柱按鉸接計算；第二階段完成T梁架設及橋面系施工后，二期恒載加載完畢，自鋼橫梁頂板預留施工孔處澆注C50補償收縮混凝土，使鋼橫梁與墩柱實現固結連接。

3 結構設計及計算

3.1 鋼橫梁門式墩設計

3.1.1 結構構造及材料

門式墩鋼橫梁采用單箱單室的鋼箱結構，全長26.5m，立柱中心距為24m。梁寬2.8m，高2.1m（58、65號墩橫梁高1.8m）。58、59、65號墩鋼橫梁上、下翼緣板厚20mm，64號墩鋼橫梁上、下翼緣板厚24mm，60號墩鋼橫梁上、下翼緣板厚28mm，64號墩鋼橫梁上、下翼緣板厚32m，61、62號墩鋼橫梁上、下翼緣板厚36m，腹板厚28mm。鋼箱梁內側頂底板分別焊有3道縱向加勁肋、腹板左右側縱向分別焊有2道縱向加勁肋，每隔2.7m左右設1道橫隔板，隔板之間設豎向加勁肋（間距0.9m），水平加勁肋沿全梁通長，遇有豎向加勁肋處將豎向加勁肋斷開。門式墩鋼橫梁主要受力構件采用Q345qD鋼材，次要構件及附屬結構采用Q235-B.Z鋼材。鋼橫梁外表面采用《鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術條件》（Q/CR 730-2019）中第七涂裝體系的涂料進行涂裝。

本文以65號墩為例進行設計計算，65號墩鋼橫梁典型斷面布置如圖2所示。

圖2 65號墩鋼橫梁標準斷面圖（單位：cm）

墩柱采用鋼筋混凝土矩形截面，墩身截面尺寸為2.8m×2.5m（縱向×橫向），墩高8.0～10.5m。根據受力要求，墩柱縱向配雙排直徑28mm、間距10cm的HRB400鋼筋。柱頂處外包30mm厚鋼板與鋼橫梁焊接連接，高度為1m，鋼板內通過埋設剪力釘與墩柱鋼筋混凝土連接，形成整體受力。墩柱后澆部分采用C50補償收縮混凝土，其余部分采用C40混凝土。

門式墩基礎采用鉆孔灌注樁基礎，其中第1類承臺尺寸為4.85m×4.85m×2.0m（縱×橫×厚），基礎采用4φ1.0m鉆孔灌注樁，第2類承臺平面尺寸為6.9m×4.85m×2.5m（縱×橫×厚），基礎采用5φ1.0m鉆孔灌注樁，承臺樁基沿路基方向扭轉5°。由于橋址區(qū)地下水具侵蝕性，承臺及樁基均采用C40混凝土。

65號鋼橫梁門式墩立面圖如圖3所示。

圖3 65號墩立面布置圖（單位：cm）

3.1.2 設計荷載及荷載組合

3.1.2.1 恒載

①自重按《鐵路橋涵設計規(guī)范》（TB 10002-2017）（以下簡稱“橋規(guī)”）規(guī)定辦理；

②二期恒載按“通橋（2017）2101”梁圖規(guī)定辦理；

③混凝土收縮徐變：按《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》（TB 10092-2017）規(guī)定計算；

④基礎不均勻沉降：兩側墩柱基礎不均勻沉降≤0.5cm。

3.1.2.2 活載

①列車豎向靜活載采用ZK活載；

②列車活載動力系數按照“橋規(guī)”第4.3.8條規(guī)定辦理；

③橫向搖擺力取100kN，作為一個集中荷載作用在最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。

3.1.2.3 附加力

①風力按“橋規(guī)”第4.4.1條規(guī)定辦理；

②門式墩體系的結構溫度變化影響力按照整體升溫30℃、降溫30℃考慮；

③列車制動力或牽引力根據“橋規(guī)”第4.3.10條按照列車豎向靜活載的10%計算。

3.1.2.4 特殊荷載

①地震力按照《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（2009年版）（GB 50111-2006）計算；

②長鋼軌縱向力，包括伸縮力、撓曲力和斷軌力，均按照“橋規(guī)”第4.3.12條及《鐵路無縫線路設計規(guī)范》（TB 10015-2012）相關規(guī)定辦理。

3.1.2.5 荷載組合

對以上荷載進行組合，詳見表1所示。

表1 荷載組合表

3.2 結構計算

3.2.1 鋼橫梁門式墩計算

計算時樁基礎剛度采用比擬桿件法模擬，并采用Midas Civil有限元軟件進行建模，所建65號墩桿單元模型如圖4所示，分別檢算鋼橫梁的強度、穩(wěn)定性、疲勞等內容。

圖4 65號門式墩鋼橫梁建模示意圖

3.2.1.1 強度計算

依據《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》（TB 10091-2017）（以下簡稱“鋼橋規(guī)”），對65號墩鋼橫梁結構進行檢算，主力組合的結構正應力均小于Q345qD鋼材的軸向容許應力200MPa，“主+附”組合的結構正應力均小于260MPa；兩種荷載組合下的剪應力均小于Q345qD鋼材的剪應力容許值120MPa。故鋼橫梁強度滿足規(guī)范要求。

3.2.1.2 局部承壓計算

65號墩支座處橫隔板局部承壓應力σ=80.65MPa＜200MPa，豎向應力σ=142.05MPa＜200MPa，均滿足規(guī)范要求。墩柱處局部承壓應力σ=83.13MPa＜200MPa，豎向應力σ=171.40MPa＜200MPa，均滿足規(guī)范要求。

3.2.1.3 疲勞計算

依據“鋼橋規(guī)”第4.3條，對門式墩鋼橫梁進行疲勞檢算。疲勞組合包括設計荷載中的恒載加活載（包括沖擊力、離心力，但不考慮活載發(fā)展系數）。根據“疲勞應力為拉-拉構件或以拉為主的拉-壓構件”計算公式，65號墩鋼橫梁疲勞應力為γdγn=（σmax-σmin）=41.6MPa≤γt[σ0]=121.7MPa，滿足要求。

3.2.1.4 預拱度計算

為了保證線路的平順，通過設置預拱度來抵消鋼橫梁撓度的影響。鋼橫梁預拱度為“恒載+1/2靜活載”產生的撓度累積之和，最大值為1.3cm，方向向上。

3.2.2 墩柱及基礎計算

3.2.2.1 墩柱配筋計算

根據Midas Civil有限元模型荷載組合結果進行計算，65號墩地震力不控制墩柱配筋，墩柱縱向由主力控制配筋且墩頂處外側受拉。根據計算結果，墩柱橫向可按構造配單排直徑28mm、間距10cm的HRB400鋼筋，墩柱縱向配雙排直徑28mm、間距10cm的HRB400鋼筋。

3.2.2.2 剛度計算

65號鋼橫梁門式墩墩頂縱向水平剛度為614.6 kN/cm，大于單線客貨共線、高速鐵路墩臺頂縱向水平線剛度限值220kN/cm，滿足規(guī)范要求。

3.2.2.3 樁長計算

經計算，本橋墩第1類承臺處樁基長度51m，第2類承臺處樁基長度44m。

3.2.2.4 墩柱及基礎其他參數計算

分別計算65號墩墩柱及基礎的混凝土、鋼筋容許應力，裂縫容許值，基礎沉降值等，均滿足設計規(guī)范要求。

4 實施方案

上跨既有線的門式墩鋼橫梁一般采用工廠預制后運至現場吊裝的方法施工。在門式墩基礎及墩柱施工完畢并在柱頂預埋鋼板后，在施工天窗點內采用履帶吊將鋼梁一次吊裝到位。通過將鋼橫梁底部鋼板與墩柱頂預埋鋼板對齊并焊接后，再向墩梁相接處澆筑C50補償收縮混凝土。

門式墩鋼橫梁最大吊重120t，現場施工時結合吊車的額定起吊能力、吊車臂長、作業(yè)半徑等選用了600t履帶吊進行吊裝施工。為避免對既有線及相鄰已實施的孔壟下行聯絡線路基段產生影響，設計根據現場地質情況對吊裝平臺采用水泥攪拌樁進行了加固處理。

5 結束語

2021年12月30日，安九高鐵全線正式通車運營，同時也見證了我國高鐵運營里程突破4萬公里?？讐派闲新摻j線特大橋在施工期間未發(fā)生任何質量安全事故，上跨既有合九鐵路采用門式墩鋼橫梁方案取得了圓滿成功。

在本成功的案例中，既有線與新建線交叉角僅為5°，采用常規(guī)大跨橋梁結構無法一跨跨越，而采用門式墩方案是最合理可行的方案。其中鋼橫梁門式墩方案結構簡單、節(jié)約投資，最重要的是施工周期短、對既有線影響最小，因而成為本橋小角度斜交上跨既有合九線的最佳跨越方案，也對今后類似工程有很好的參考借鑒意義。