天津西南環(huán)線鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計(jì)

商耀兆

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程概況

天津鐵路樞紐西南環(huán)線擴(kuò)能改造工程是鐵三院重點(diǎn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。本工點(diǎn)位于此項(xiàng)目的獨(dú)流至南河上行聯(lián)絡(luò)線跨獨(dú)流減河特大橋上，框架墩為跨越京滬鐵路而設(shè)。聯(lián)絡(luò)線等級(jí)為國鐵 I級(jí)，單線，設(shè)計(jì)速度160 km/h，采用單線簡支T梁，梁跨16 m。

橋址處地震烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，場地類別為Ⅲ類場地2區(qū)。地質(zhì)土層主要由黏性土及砂類土組成，環(huán)境土在氯鹽環(huán)境下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)L1。

2 框架墩布置

上行聯(lián)絡(luò)線與京滬鐵路交叉角度為6°～9°，京滬鐵路此段為路堤，高約5m，要求凈空≥7.56 m。

框架墩橫梁的布置方式一般有與上跨線垂直和與下穿線垂直兩種，與上跨線垂直布置有利于框架墩橫梁上布置支座，但會(huì)增加框架墩橫梁的跨度;與下穿線垂直布置能減小橫梁跨度，但需注意支座至橫梁邊緣的距離，不滿足規(guī)范時(shí)還要增設(shè)牛腿。

綜合考慮以上因素，本工點(diǎn)采用框架墩橫梁與上跨線垂直布置，但承臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度，與下穿線路肩平行，平面布置示意如圖1。

圖1 框架墩平面布置

3 結(jié)構(gòu)尺寸

由于聯(lián)絡(luò)線線路縱斷面的限制，要求框架墩橫梁高度≤2.2 m，所以采用鋼橫梁、鋼筋混凝土墩柱的結(jié)構(gòu)形式。

鋼橫梁采用單箱單室箱形截面，梁高為2.1 m，梁寬2.2 m。鋼橫梁腹板內(nèi)側(cè)設(shè)有豎向加勁肋及水平加勁肋。橫梁內(nèi)每隔2.0m左右設(shè)1道橫隔板，并在支座位置設(shè)橫隔板，隔板間設(shè)豎向加勁肋?？蚣芏樟⒅捎米兘孛?，縱向均為2.0m，橫向?yàn)?.0～2.5m變寬。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 框架墩立面布置(單位:cm)

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 有限元模型

利用有限元程序MIDAS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，墩柱及橫梁用三維梁單元模擬，樁基礎(chǔ)用彈簧模擬，由于框架墩上為簡支梁跨，并且相鄰橋墩高度相近，可以用單墩模型進(jìn)行檢算，空間模型如圖3所示。

圖3 單墩有限元模型

4.2 墩頂固結(jié)方式比選

根據(jù)施工方法的不同，墩頂固結(jié)方式一般分為先鉸接后固結(jié)和一次固結(jié)兩種。先鉸接后固結(jié)是墩身混凝土澆至距離橫梁底1 m時(shí)，在其上設(shè)置臨時(shí)支撐墊石，鋼橫梁底設(shè)置臨時(shí)鋼板支座，架設(shè)框架墩鋼橫梁后先不澆筑墩頂連接段的微膨脹混凝土，而是架設(shè)上面的簡支梁，鋼橫梁變形后再澆筑墩頂連接段混凝土形成永久固結(jié)。一次固結(jié)是常規(guī)的施工方法，架設(shè)鋼橫梁后直接澆筑墩頂連接段混凝土形成永久固結(jié)，然后再架設(shè)簡支梁等。

兩種施工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，一次固結(jié)工序簡單，施工方便，但墩柱頂?shù)呢?fù)彎矩較大;先鉸接后固結(jié)工序相對(duì)繁瑣，但能有效減小墩柱頂?shù)呢?fù)彎矩，減小墩柱截面及配筋量，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

線路中心線處于跨中附近與線路中心線處于梁端附近時(shí)的兩種固結(jié)方式內(nèi)力如表1、表2所示。

表1 線路中心線處于跨中附近時(shí)的內(nèi)力 kN·m

由以上計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)線路中心線處于跨中附近時(shí)，采用先鉸接后固結(jié)的施工方法能有效減小墩柱頂負(fù)彎矩，并且橫梁所受內(nèi)力增加不大，較經(jīng)濟(jì)合理;而線路中心線處于橫梁端部附近時(shí)，先鉸接后固結(jié)施工的意義不大，可采用一次固結(jié)方式施工。

表2 線路中心線處于橫梁端部附近時(shí)的內(nèi)力 kN·m

本工點(diǎn)59#，66#，67#墩采用一次固結(jié)法施工，而60#～65#墩采用先鉸接后固結(jié)的施工工序。

4.3 材料選取及控制指標(biāo)

根據(jù)計(jì)算應(yīng)力及環(huán)境侵蝕等級(jí)，鋼橫梁鋼板采用Q345qD鋼材，墩柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，墩柱柱頂外包鋼板內(nèi)及鋼橫梁橫隔板間采用C40微膨脹混凝土，承臺(tái)及樁基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

鋼橫梁的基本容許應(yīng)力需考慮板厚折減，軸向容許應(yīng)力取190mPa;彎曲容許應(yīng)力取軸向容許應(yīng)力的1.05倍，即199.5mPa;容許剪應(yīng)力取軸向容許應(yīng)力的0.6倍，即114 MPa;端部承壓容許應(yīng)力取軸向容許應(yīng)力的1.5倍，即285mPa。根據(jù)連接方式，疲勞容許應(yīng)力幅取99.9 MPa。

經(jīng)檢算，在主力、主力+附加力、地震力組合等工況作用下，鋼橫梁及墩身強(qiáng)度均滿足要求。

框架墩的位移控制值由規(guī)范規(guī)定的荷載工況計(jì)算，位移計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 框架墩墩頂縱橫向位移 mm

5 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1)墩頂與橫梁的固結(jié)方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，線位處于橫梁跨中附近時(shí)選用先鉸接后固結(jié)的施工工序，能有效減小墩柱頂負(fù)彎矩，使內(nèi)力分布均勻，用材節(jié)約，經(jīng)濟(jì)合理。

2)框架墩為超靜定結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大。如果輸入的剛度偏大，會(huì)使墩柱及基礎(chǔ)的受力偏大，而橫梁的受力偏小，造成墩柱設(shè)計(jì)偏保守，橫梁設(shè)計(jì)偏于不安全;如果輸入的剛度偏小，結(jié)果恰恰相反。所以應(yīng)根據(jù)地質(zhì)資料及試算的基底反力，確定基礎(chǔ)布置形式，算出接近實(shí)際的基礎(chǔ)剛度，當(dāng)然因果相互制約，有時(shí)需要反復(fù)調(diào)試。

3)應(yīng)注意溫度荷載的取值，混凝土構(gòu)件的截面面積愈大則導(dǎo)熱性愈差，所以除了受大氣影響使整體升降溫外，日照溫差應(yīng)加溫度梯度;而鋼梁的截面面積小、導(dǎo)熱性好(約為混凝土的50倍)，日照溫差按鋼梁整體升降溫即可。另外混凝土構(gòu)件的溫度取月平均氣溫，而鋼梁應(yīng)按極端溫度加載。

4)鋼橫梁框架墩的墩柱為混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，墩柱頂?shù)慕Y(jié)合部分應(yīng)設(shè)置合理的連接構(gòu)造。如設(shè)置連接鋼板、剪力釘、微膨脹混凝土等。

5)鋼構(gòu)件的容許應(yīng)力注意按板厚折減，局部穩(wěn)定主要由規(guī)范對(duì)構(gòu)件的寬厚比限值、加勁肋設(shè)置等規(guī)定保證，局部小構(gòu)件可按歐拉應(yīng)力控制。

6)鋼橫梁做為橋墩的一部分，其撓跨比規(guī)范未明確，筆者認(rèn)為若按撓跨比控制，需考慮上部梁跨的變形，即考慮綜合撓跨比。另外，也可將橫梁撓度計(jì)入橋墩的豎向位移。

6 結(jié)語

鋼橫梁框架墩能有效解決新建線路與所跨越鐵路或公路交叉角度小的問題，鋼橫梁的截面高度小、橫梁跨度大，對(duì)小角度跨越多線鐵路或較寬的公路，尤其是凈空及縱斷面限制結(jié)構(gòu)高度時(shí)，優(yōu)勢更加明顯。

鋼橫梁框架墩的橫梁可在工廠預(yù)制，既能保證施工質(zhì)量，又可縮短工期，在跨越運(yùn)輸繁忙，要點(diǎn)困難的鐵路時(shí)更加實(shí)用。

綜上，鋼橫梁框架墩是類似工點(diǎn)值得推薦的結(jié)構(gòu)形式。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］歐陽章智，王東權(quán)，于廣云，等.空心型箱形框架橋力學(xué)特性有限元分析［J］.鐵道建筑，2011(4):9-12.

［5］黃棠，王效通.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(上)［M］.北京:中國鐵道出版社，1989.