鄭焦城際跨濟(jì)東高速公路特大橋(40+64+40)m連續(xù)梁橋墩設(shè)計(jì)

賈允祥

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055)

1 工程概述

鄭焦城際是鄭州至焦作的一條設(shè)計(jì)時(shí)速250 km的雙線(xiàn)城際鐵路，設(shè)計(jì)活載采用ZK活載。鐵路線(xiàn)與濟(jì)東高速公路以63°夾角交叉，為了滿(mǎn)足公路現(xiàn)狀以及未來(lái)規(guī)劃的要求，設(shè)計(jì)中采用1聯(lián)(40+64+40)m連續(xù)梁跨越高速公路。連續(xù)梁位于直線(xiàn)線(xiàn)路上。

本橋范圍內(nèi)地質(zhì)情況主要是粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)紗，地基承載力在120～300 kPa。橋址范圍內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相當(dāng)于地震基本烈度7度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.55 s，工程抗震設(shè)防類(lèi)別為B類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為7度。土壤最大凍結(jié)深度0.29 m。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)本橋所處位置的線(xiàn)路縱斷面、梁部結(jié)構(gòu)高度、地面線(xiàn)資料、土壤最大凍結(jié)深度等數(shù)據(jù)確定橋墩高度，其中支座加支承墊石總高度邊墩采用60 cm，中墩采用70 cm，另外由于所跨道路為填方道路，為了減少開(kāi)挖深度、降低基坑防護(hù)難度、加快施工速度，中墩基礎(chǔ)埋深應(yīng)盡可能取小值，本橋基礎(chǔ)頂埋深按0.2～0.5 m控制。根據(jù)本橋的地質(zhì)資料情況確定基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。將本橋橋墩自左向右命名為1號(hào)墩～4號(hào)墩。橋型立面示意見(jiàn)圖1。

圖1 大橋立面示意(單位:cm)

2.1 設(shè)計(jì)荷載

本橋位于直線(xiàn)上，墩頂外力主要有主力(列車(chē)活載、鋼軌縱向伸縮力和撓曲力、橫向搖擺力)、附加力(制動(dòng)力、風(fēng)力)、特殊荷載(列車(chē)脫軌荷載、汽車(chē)撞擊力、地震力、鋼軌斷軌力)。

對(duì)于1號(hào)墩、4號(hào)墩按照簡(jiǎn)支梁橋墩最不利加載方式加載:單線(xiàn)加載、雙線(xiàn)加載，2種加載又分一孔重載、雙孔重載、一孔輕載、雙孔輕載、雙孔空車(chē)、橋上無(wú)車(chē)。另外由于1號(hào)墩、4號(hào)墩兩側(cè)所接為不等跨梁，還需分大小跨方向加載。最不利活載加載圖示見(jiàn)圖2。

對(duì)于2號(hào)墩、3號(hào)墩，墩頂活載按最大支反力和最小支反力2種工況取不利情況控制設(shè)計(jì)。

圖2 活載加載圖示

雙線(xiàn)活載作用按單線(xiàn)活載的2倍計(jì)算，不予折減，另外還應(yīng)計(jì)及活載的動(dòng)力效應(yīng)。動(dòng)力系數(shù)1+μ=0.18，式中 L為加載長(zhǎng)度，對(duì)于本橋 L=φφ×1.3=62.4 m＜64 m，取 L=64 m，則 1+φμ=1.005。

制動(dòng)力采用豎向凈活載的10%，雙線(xiàn)橋采用一線(xiàn)制動(dòng)力。1號(hào)墩設(shè)置簡(jiǎn)支梁固定支座，簡(jiǎn)支梁制動(dòng)力取整孔簡(jiǎn)支梁制動(dòng)力的100%;4號(hào)墩上安置簡(jiǎn)支梁活動(dòng)支座，簡(jiǎn)支梁制動(dòng)力取整孔簡(jiǎn)支梁制動(dòng)力的50%;1、2、4號(hào)墩設(shè)置連續(xù)梁活動(dòng)支座，制動(dòng)力按相鄰兩孔上制動(dòng)力的25%計(jì)，3號(hào)墩設(shè)置連續(xù)梁固定支座，制動(dòng)力取整聯(lián)制動(dòng)力的全部。活動(dòng)支座承受的制動(dòng)力還需與支座摩阻力進(jìn)行比較，取大值控制設(shè)計(jì)。

橫向搖擺力，取值100 kN，作用于軌面。僅計(jì)算任一線(xiàn)上的橫向搖擺力。

列車(chē)脫軌荷載，不計(jì)動(dòng)力系數(shù)。對(duì)于雙線(xiàn)橋，僅考慮一線(xiàn)脫軌荷載，且另一線(xiàn)上不作用列車(chē)活載。

風(fēng)壓強(qiáng)度偏安全的取值，有車(chē)時(shí)取1.25 MPa，無(wú)車(chē)時(shí)取 2.25 MPa。

伸縮力、斷軌力數(shù)值通過(guò)建立軌道、橋梁有限元模型，計(jì)算獲得。計(jì)算模型示意見(jiàn)圖3，軌道力計(jì)算數(shù)值見(jiàn)表1。

圖3 軌道力計(jì)算模型示意

表1 一股鋼軌軌道力數(shù)值 kN

地震力采用建立全橋模型，通過(guò)反應(yīng)譜計(jì)算獲得。地震力應(yīng)分別按有車(chē)、無(wú)車(chē)進(jìn)行計(jì)算，有車(chē)時(shí)，順橋向不計(jì)活載引起的地震力，橫橋向計(jì)入50%活載引起的地震力，作用于軌頂以上2 m處，活載豎向力按豎向凈活載的100%計(jì)。

2.1.1 地震力計(jì)算模式比較

采用有限元模型進(jìn)行反應(yīng)譜計(jì)算，需要模擬基礎(chǔ)的具體形式，計(jì)算過(guò)程中首先根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)附錄E所示的單墩簡(jiǎn)化計(jì)算模式計(jì)算地震力，確定樁基礎(chǔ)的根數(shù)、直徑、布置形式以及大致的樁長(zhǎng)。采用單墩簡(jiǎn)化模式計(jì)算地震力時(shí)，對(duì)于1號(hào)墩、4號(hào)墩、2號(hào)墩墩頂換算質(zhì)點(diǎn)的重力采用相應(yīng)墩頂恒載端反力反算重力;3號(hào)墩設(shè)置固定支座，考慮到固定支座的作用，將1、2、4號(hào)墩連續(xù)梁恒載端反力反算重力總和的50%加上3號(hào)墩恒載端反力反算重力作為3號(hào)墩墩頂換算質(zhì)點(diǎn)的重力。采用單墩簡(jiǎn)化計(jì)算與采用全橋反應(yīng)譜計(jì)算所得的墩底截面地震力效應(yīng)彎矩值比較見(jiàn)表2。

表2 墩底截面地震力彎矩值比較

從表2中可以看出，邊墩采用2種計(jì)算模式的結(jié)果比較接近;3號(hào)墩考慮墩頂換算質(zhì)點(diǎn)重力修正后的單墩簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與整橋反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果比較接近;因此對(duì)于邊墩以及連續(xù)梁制動(dòng)墩來(lái)說(shuō)，采用簡(jiǎn)化算法可以為整橋反應(yīng)譜計(jì)算提供比較準(zhǔn)確的基礎(chǔ)尺寸，從而可簡(jiǎn)化整橋反應(yīng)譜計(jì)算試算基礎(chǔ)尺寸的計(jì)算過(guò)程，并能在一定程度上校核整橋反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。2號(hào)墩2種計(jì)算模式的結(jié)果沒(méi)有可比性，但2號(hào)墩、3號(hào)墩整橋反應(yīng)譜計(jì)算模式下橫向地震力比較接近，由此可以采用制動(dòng)墩橫向地震力工況估算連續(xù)梁非制動(dòng)中墩的基礎(chǔ)尺寸。

因此，在初步確定基礎(chǔ)具體形式時(shí)，對(duì)邊墩不做墩頂換算質(zhì)點(diǎn)重力修正直接采用單墩簡(jiǎn)化模式計(jì)算地震力;對(duì)中墩墩頂換算質(zhì)點(diǎn)重力修正后采用單墩簡(jiǎn)化模式計(jì)算地震力，縱向地震力工況用于估算制動(dòng)墩中墩的基礎(chǔ)尺寸，橫向地震力工況用于估算非制動(dòng)墩中墩的基礎(chǔ)尺寸。

2.1.2 荷載組合

各項(xiàng)外力計(jì)算完畢后，進(jìn)行外力組合。組合時(shí)分雙線(xiàn)行車(chē)、單線(xiàn)行車(chē)、橋上無(wú)車(chē)3種類(lèi)型進(jìn)行組合，每一類(lèi)型中的荷載組合僅考慮縱向或橫向一個(gè)方向上的附加荷載。地震力與活載組合時(shí)僅考慮單線(xiàn)行車(chē)的情況，墩身護(hù)面鋼筋根據(jù)地震力荷載工況確定。

2.2 橋墩構(gòu)造

2.2.1 墩身尺寸擬定

本橋各橋墩高度均小于10 m，為了方便施工，各墩外輪廓均設(shè)為直坡式。另外為了減少橋墩施工模板種類(lèi)，橋墩外輪廓應(yīng)盡量采用本工程中其他橋墩相似的外輪廓。本橋橋墩外輪廓尺寸，中墩墩身尺寸采用3.6 m×8 m(縱橋向尺寸×橫橋向尺寸)，不設(shè)托盤(pán)，頂帽尺寸與墩身尺寸相同，圓端直徑采用3.6 m;邊墩墩身尺寸采用2.8 m×6.6 m(縱橋向尺寸×橫橋向尺寸)，頂帽尺寸采用3.8 m×8 m(縱橋向尺寸×橫橋向尺寸)，頂帽高度采用0.25 m，托盤(pán)高度采用2.75 m，頂帽不設(shè)置飛檐，為了美觀，托盤(pán)外輪廓采用圓弧曲面，頂帽圓端直徑采用3.8 m。頂帽尺寸最小要滿(mǎn)足安放支承墊石的需要，為了提高墩身受力的合理性，墩身外輪廓應(yīng)不小于支座外邊緣連線(xiàn)的輪廓線(xiàn)。橋墩結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 邊墩結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

圖5 中墩結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

2.2.2 支座布置

通常情況下將高度小的中墩設(shè)置為制動(dòng)墩放置固定支座，本橋2號(hào)墩、3號(hào)墩高度相同，將位于下坡端的3號(hào)墩設(shè)置為制動(dòng)墩。1號(hào)墩、2號(hào)墩、4號(hào)墩設(shè)置連續(xù)梁活動(dòng)支座，1號(hào)墩設(shè)置簡(jiǎn)支梁固定支座，4號(hào)墩設(shè)置簡(jiǎn)支梁活動(dòng)支座。

2.2.3 設(shè)置縱向預(yù)偏心

1號(hào)墩、4號(hào)墩根據(jù)所接簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁恒載反力以及支座中心至梁端的距離確定需向連續(xù)梁方向設(shè)置預(yù)偏心5 cm。

2.3 墩身檢算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，橋墩需檢算偏心、強(qiáng)度、墩頂位移、沉降，本橋檢算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 橋墩檢算結(jié)果

表3中墩頂位移包括由于墩身和基礎(chǔ)的彈性變形，以及基底土彈性變形的影響。本線(xiàn)為有砟軌道，橋墩均勻沉降應(yīng)不大于30 mm;相鄰橋墩沉降差應(yīng)不大于15 mm。

連續(xù)梁斷軌力一般情況下比常規(guī)簡(jiǎn)支梁橋墩的要大，在擬定墩身尺寸時(shí)，對(duì)斷軌力荷載組合工況下墩身偏心的檢算要優(yōu)先進(jìn)行，以免引起墩身尺寸的修改，影響設(shè)計(jì)過(guò)程。

3 結(jié)論

進(jìn)行連續(xù)梁橋墩的設(shè)計(jì)時(shí)，墩身尺寸的擬定除滿(mǎn)足受力以及規(guī)范中關(guān)于構(gòu)造尺寸的要求外，還應(yīng)考慮施工方便性，對(duì)相似尺寸的橋墩進(jìn)行合并設(shè)計(jì)，以減少橋墩類(lèi)型、減少橋墩施工模板種類(lèi)。對(duì)于地震力控制設(shè)計(jì)的連續(xù)梁橋墩，可以采用簡(jiǎn)支梁?jiǎn)味盏卣鹆?jiǎn)化算法估算基礎(chǔ)尺寸，并以此尺寸作為初始尺寸建立全橋模型進(jìn)行精確計(jì)算。對(duì)于中墩采用全橋反應(yīng)譜計(jì)算所得的地震力進(jìn)行設(shè)計(jì);對(duì)于邊墩應(yīng)比較全橋反應(yīng)譜計(jì)算所得的地震力與單墩模型簡(jiǎn)化計(jì)算所得地震力，取不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法計(jì)算地震力時(shí)，對(duì)制動(dòng)墩墩頂換算質(zhì)點(diǎn)重力的修正可以采用增加各非制動(dòng)墩墩頂恒載反力反算重力總和的50%的方法，其計(jì)算結(jié)果可以滿(mǎn)足估算制動(dòng)墩基礎(chǔ)大致形式以及校核整橋反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的需要，通過(guò)簡(jiǎn)化算法得到的制動(dòng)墩中墩地震力荷載中，縱向地震力工況用于估算制動(dòng)墩中墩基礎(chǔ)尺寸，橫向地震力工況用于估算非制動(dòng)墩中墩的基礎(chǔ)尺寸。

［1］鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) 橋梁設(shè)計(jì)通用資料［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1994.

［2］鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) 橋梁墩臺(tái)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1997.

［3］鐵道第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)橋涵地基和基礎(chǔ)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1—2005，鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.4—2005，鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.5—2005，鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

［8］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50111—2006，鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2009年版)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.