哈齊客運(yùn)專(zhuān)線四線鐵路橋墩設(shè)計(jì)

顧津申

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

哈齊客運(yùn)專(zhuān)線四線鐵路橋墩設(shè)計(jì)

顧津申

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

以哈爾濱至齊齊哈爾客運(yùn)專(zhuān)線松花江特大橋主橋橋墩為例，詳細(xì)論述四線鐵路橋墩的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)方法，給出四線鐵路橋墩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的荷載組合工況;通過(guò)對(duì)冰壓力荷載的分析，提出高緯度嚴(yán)寒地區(qū)橋墩的設(shè)計(jì)建議，對(duì)相同類(lèi)型的工程具有一定的參考和借鑒意義。

哈齊客運(yùn)專(zhuān)線;四線鐵路橋墩;冰壓力;荷載組合

1 工程概述

哈爾濱至齊齊哈爾客運(yùn)專(zhuān)線松花江特大橋主橋采用1－(78+3×156+78)m鋼管混凝土拱加勁連續(xù)梁，四線并行，設(shè)計(jì)線間距為4.4m+8m+4.4m。哈齊客運(yùn)專(zhuān)線為雙線，設(shè)計(jì)活載為ZK活載，設(shè)計(jì)速度為200 km/h;改建濱洲線為雙線，設(shè)計(jì)活載為中－活載，設(shè)計(jì)速度為160 km/h。橋址位于高緯度嚴(yán)寒地區(qū)，冬季寒冷干燥漫長(zhǎng)，最冷月平均氣溫均低于－15℃。主橋位于直線上，所處地區(qū)設(shè)防烈度為Ⅵ度。如圖1所示。

2 橋墩構(gòu)造擬定

圖1 松花江特大橋主橋立面圖(單位:cm)

松花江特大橋主橋上部活載為四線鐵路，橋墩構(gòu)造設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足橫向?qū)挾纫?其次由于上部荷載較大，支座尺寸也將控制橋墩頂帽的縱橫向構(gòu)造。若采用現(xiàn)有客運(yùn)專(zhuān)線鐵路圓端形實(shí)體橋墩形式，橋墩混凝土方量勢(shì)必較大;若采用框架結(jié)構(gòu)橋墩，橋墩底部由于較大溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將使得墩底截面配筋量很難控制。故在綜合考慮橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全、美觀及經(jīng)濟(jì)性的情況下，滿足上部結(jié)構(gòu)支座布置要求的同時(shí)，擬定橋墩形式為三圓柱加肋混凝土橋墩。中間墩頂帽橫向?qū)?6.8m，兩側(cè)圓柱直徑為6m，中間圓柱直徑為7m，中間肋板縱向長(zhǎng)度為3m，如圖2所示;邊墩頂帽連續(xù)梁側(cè)橫向?qū)挾葹?4.6m，3個(gè)圓柱直徑都為5m，中間肋板寬度為3m，如圖3所示。邊墩兩側(cè)墩頂均預(yù)留槽孔，方便支座養(yǎng)護(hù)維修的需要。

圖2 主墩頂帽平面

圖3 邊墩頂帽平面

墩身結(jié)構(gòu)形式采用與頂帽結(jié)構(gòu)相同的形式。主墩3個(gè)圓柱之間的肋板從墩頂處采用“U”形圓弧曲線過(guò)渡開(kāi)槽。既起到排水的作用，同時(shí)增加視覺(jué)上的美觀效果。

松花江冰凍期冰層最大厚度達(dá)到1.3 m，冬季封凍時(shí)間長(zhǎng)，冰壓力對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的影響極為顯著，因此位于松花江干流內(nèi)主橋橋墩破冰棱的布置就變得尤為重要。為了減少冰凍期內(nèi)，流冰撞擊對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的影響，于墩身迎冰面流冰水位1.5m以下，設(shè)置混凝土破冰棱，破冰棱前端埋設(shè)角鋼與護(hù)面鋼板，并且在破冰棱高度范圍內(nèi)，于墩身四周外包混凝土保護(hù)層，防止迎水面以外方向碰撞對(duì)墩身結(jié)構(gòu)的影響。如圖4、圖5所示。

圖4 主墩正、側(cè)面

圖5 邊墩正、側(cè)面

3 墩荷載與檢算

3.1 橋墩設(shè)計(jì)荷載

四線橋墩設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮常規(guī)荷載外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橋墩承受多線活載的情況。由于本橋活載類(lèi)型為兩線中活載和兩線ZK活載，規(guī)范中未見(jiàn)明文規(guī)定，參考《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行)以及歐洲規(guī)范，整體計(jì)算時(shí)，雙線及雙線以下活載不折減;三線及三線以上活載考慮折減系數(shù)為0.8，考慮滿載和偏載工況。

由于哈齊客運(yùn)專(zhuān)線松花江特大橋主橋位于嚴(yán)寒地區(qū)，橋位處年平均氣溫約為4℃，冰凍期時(shí)間長(zhǎng)。百年一遇流冰期最高水位為116.56m，百年一遇河心冰厚為1.7m。故冰壓力為該橋墩設(shè)計(jì)的主要控制因素之一。

對(duì)位于有冰凌河流內(nèi)的橋墩，冰壓力荷載應(yīng)考慮以下幾種情況:(1)河流流冰產(chǎn)生的動(dòng)壓力;(2)風(fēng)和水流作用于大面積冰層產(chǎn)生的靜壓力;(3)冰覆蓋層受溫度影響膨脹時(shí)的靜壓力(在閉塞空間);(4)冰堆整體推移的靜壓力;(5)冰層因水位升降產(chǎn)生的豎向作用力。

由于確定各種冰荷載的計(jì)算方法很多，分別將不同公式計(jì)算橋墩冰壓力的結(jié)果列于表1。

表1 不同公式計(jì)算橋墩冰壓力結(jié)果 kN

從表1可以看出，冰蓋層膨脹產(chǎn)生的靜壓力為冰壓力的控制荷載。但根據(jù)規(guī)定:如采用其他方法求得的水平向冰壓力大于極限冰壓力時(shí)，應(yīng)按極限冰壓力設(shè)計(jì)［1］。即作用在橋墩上的冰壓力不會(huì)大于使冰自身結(jié)構(gòu)破壞的外力。鑒于目前對(duì)于冰壓力的研究和計(jì)算方法還不成熟，橋墩計(jì)算時(shí)可以采用極限冰壓力作為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行橋墩設(shè)計(jì)檢算。

3.2 荷載組合

松花江特大橋主橋梁部為四線行車(chē)，即哈齊客運(yùn)專(zhuān)線正線(上下行)，改建濱州線(上下行)。其中哈齊客運(yùn)專(zhuān)線正線荷載形式為ZK活載，改建濱州線的荷載形式為中－活載。

橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮主力、主+附(縱、橫向)以及主+特(縱、橫向)各種控制荷載在相同方向疊加時(shí)最不利的組合情況。根據(jù)分析計(jì)算橋墩主要的控制工況如表2所示。

表2 橋墩設(shè)計(jì)主要控制工況

3.3 橋墩強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算

松花江主橋?yàn)樗木€并行且上部荷載較大，下部橋墩結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)范要求的剛度及穩(wěn)定性等要求，故橋墩采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.3.1 墩頂水平位移

墩臺(tái)的縱向及橫向水平剛度應(yīng)滿足列車(chē)行車(chē)安全性和旅客乘車(chē)舒適度的要求，并對(duì)最不利荷載作用下墩臺(tái)頂?shù)臋M向及縱向計(jì)算彈性水平位移進(jìn)行控制［2］。

橋墩在豎向靜活載、制動(dòng)力或牽引力、風(fēng)力(縱向)、伸縮力等的作用下，橋墩墩頂?shù)目v向水平位移總和如表3所示。

表3 松花江主橋橋墩墩頂縱向水平位移 mm

橋墩在列車(chē)橫向搖擺力、冰壓力、風(fēng)力和溫度的作用下，橋墩墩頂?shù)臋M向水平位移如表4所示。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定:在列車(chē)橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，由墩臺(tái)橫向水平位移引起的相鄰結(jié)構(gòu)物橋面處軸線間的水平折角不得超過(guò)1‰，即固定墩:L×0.5‰=156×0.5‰=78 mm，邊墩:L×0.5‰=32×0.5‰=16mm，按照幾何線性內(nèi)插，37號(hào)橋墩的限值為36.7mm;39號(hào)橋墩的限值為53.2mm;40號(hào)橋墩的限值為28.4mm。對(duì)比表4中的數(shù)值，每個(gè)橋墩在荷載作用下的實(shí)際橫向位移均小于規(guī)范限值，因此滿足要求。

表4 松花江主橋橋墩墩頂橫向水平位移 mm

3.3.2 橋墩截面強(qiáng)度

混凝土和砌體墩臺(tái)的截面強(qiáng)度應(yīng)按下式檢算［3］

橋墩上部采用C35混凝土，下部除考慮地表土和地下水的侵蝕性外，位于水中橋墩凍融破壞等級(jí)為D3，故而適當(dāng)提高了混凝土強(qiáng)度等級(jí)。C35混凝土對(duì)應(yīng)的混凝土的容許壓應(yīng)力=9.4 MPa。計(jì)算主力加附加力時(shí)，其容許壓應(yīng)力可以提高30%。

將上述所列荷載依次組合，邊墩簡(jiǎn)支梁側(cè)荷載按照單孔重載及單孔輕載考慮，分別計(jì)算橋墩墩底截面強(qiáng)度。因?yàn)楹奢d組合比較多，這里列出部分墩高的控制工況墩底計(jì)算截面應(yīng)力值，見(jiàn)表5。

表5 松花江主橋橋墩墩底部分截面應(yīng)力

從表5中的數(shù)值可以看出，不同橋墩在控制荷載工況作用下的墩底截面壓應(yīng)力均小于9.4 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定，故橋墩截面強(qiáng)度檢算符合要求。

3.3.3 墩身偏心

在各種荷載組合作用下，混凝土的實(shí)體墩臺(tái)身截面上法向合力的偏心距e應(yīng)符合下列規(guī)定:

主力 e/S≤0.5

主力+附加力(圓形截面) e/S≤0.5

主力+附加力(其他形狀截面) e/S≤0.6

主力+特殊荷載 e/S≤0.7

式中，S系沿截面重心與合力作用點(diǎn)的連線上量取，自截面重心至該連線與截面外包輪廓線的交點(diǎn)的距離［3］。

將上述墩底截面應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的荷載組合下，不同墩身截面的e/S值列于表6。

表6 松花江主橋橋墩墩底部分截面e/S

從表6可以明顯看到，不同橋墩在不同荷載組合下，控制荷載工況作用時(shí)的墩身截面偏心滿足規(guī)范規(guī)定，故橋墩截面偏心符合要求。

3.3.4 墩身縱向穩(wěn)定性

混凝土的墩臺(tái)在中心受壓及偏心受壓時(shí)，其整體縱向穩(wěn)定性應(yīng)按下式檢算［3］

式中 N——作用于墩臺(tái)頂面處的軸向壓力，MN;

K——安全系數(shù)，對(duì)于整體灌注的混凝土墩臺(tái)，

主力時(shí)K=2.0，主力加附加力時(shí)K=1.6;

Ncr——墩臺(tái)順截面回轉(zhuǎn)半徑較小方向彎曲的縱向彎曲(屈曲)臨界荷載，MN。

在影響橋墩失穩(wěn)的控制荷載作用下，檢算橋墩順橋向及橫橋向的縱向穩(wěn)定性，求得Ncr/N的比值，將部分計(jì)算結(jié)果列于表7中。

表7 松花江主橋橋墩縱向穩(wěn)定性部分計(jì)算結(jié)果

對(duì)比表7中的計(jì)算結(jié)果與規(guī)范要求的安全系數(shù)，墩身在控制荷載作用下的縱向穩(wěn)定性系數(shù)大于規(guī)范要求的安全值，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定，因此墩身縱向穩(wěn)定性檢算符合要求。

通過(guò)比較上面墩身截面強(qiáng)度、偏心和縱向穩(wěn)定性的結(jié)果可以看到，相同截面形狀的橋墩，其墩身截面強(qiáng)度隨著作用于墩身截面處的豎向力及彎矩的增大而增大;橋墩的偏心與截面所受豎向力成反比，所受彎矩成正比;而橋墩的縱向穩(wěn)定性只與豎向力有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著鐵路的發(fā)展，在考慮安全和穩(wěn)定性的同時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體性和美觀也逐漸被運(yùn)用到實(shí)際工程中，越來(lái)越多的四線甚至多線橋梁將被采用。松花江特大橋主橋四線橋墩的設(shè)計(jì)過(guò)程為高緯度嚴(yán)寒地區(qū)多線橋墩設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

(1)嚴(yán)寒地區(qū)橋墩于迎水面需設(shè)置破冰棱，破冰棱高度應(yīng)位于流冰水位1.5m以上。冰壓力計(jì)算中，冰蓋層膨脹產(chǎn)生的靜壓力在各種冰壓力計(jì)算值中較大。但由于其荷載大于使冰自身結(jié)構(gòu)破壞的外力，故設(shè)計(jì)中在進(jìn)行橋墩冰壓力計(jì)算時(shí)，采用極限冰壓力作為橋墩設(shè)計(jì)的控制因素，可以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

(2)四線橋墩在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于多線活載的作用，橋墩荷載組合形式繁多，為了減少計(jì)算工作量，應(yīng)首先對(duì)荷載組合進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮Y選。對(duì)于多種活載工況，在設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮多線同時(shí)行車(chē)與一側(cè)同時(shí)行車(chē)的情況(規(guī)范有其他規(guī)定的除外)。在恒載一定的情況下，多線同時(shí)行車(chē)可作為豎向力的控制工況，一側(cè)同時(shí)行車(chē)可作為偏載彎矩的控制工況。

(3)對(duì)于文中的四線橋墩結(jié)構(gòu)，四線活載同時(shí)作用時(shí)，冰壓力及地震力作為附加力和特殊荷載都是橋墩設(shè)計(jì)荷載的控制值，設(shè)計(jì)時(shí)可以重點(diǎn)關(guān)注該荷載的作用方向，在相同方向疊加剩余荷載，將此作為橋墩設(shè)計(jì)計(jì)算中的最不利荷載組合之一。

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［6］朱敏，楊詠漪，陳列，等．武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線橋墩設(shè)計(jì)研究分析［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(1):100－104．

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［9］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，2009．

［10］王召祜．客運(yùn)專(zhuān)線橋梁設(shè)計(jì)研究［J］，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(4)．

［11］甄津津．客運(yùn)專(zhuān)線鐵路常用跨度橋梁橋墩設(shè)計(jì)［J］，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(2)．

Design of Four-Track Railway Bridge Pier on Harbin-Qiqihar Passenger Dedicated Line

GU Jin-shen

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

In this paper，the bridge pier design of the main bridge for the Songhua River super major bridge on Harbin-Qiqihar passenger dedicated line was taken as the example．Then this paper analyzed the design idea and designmethod for four-track railway bridge pier，and proposed the work conditions of load combination which should be focused on during design of four-track railway bridge pier．Furthermore，via analysis on ice pressure load，some advices were given in this paper regarding bridge pier design in high latitude and severe cold area，having certain reference value to the similar projects．Key words:Harbin-Qiqihar passenger dedicated line;four-track railway bridge pier;ice pressure;load combination

U442.5

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．015

1004－2954(2014)03－0063－04

2013－11－28

顧津申(1982—)，男，工程師。