客貨共線鐵路T梁圓端形空心墩參考圖總體設(shè)計(jì)

吳文華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安　710043)

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客貨共線鐵路T梁圓端形空心墩參考圖總體設(shè)計(jì)

吳文華

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安710043)

摘要：結(jié)合客貨共線鐵路簡支T梁圓端形空心墩參考圖的設(shè)計(jì),對(duì)設(shè)計(jì)空心墩的總體性要素、構(gòu)造尺寸的確定進(jìn)行詳細(xì)分析,總結(jié)空心墩設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算的項(xiàng)目及計(jì)算的原則。采用合理設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)尺寸,可以獲得橋墩合適的剛度,節(jié)省墩身和基礎(chǔ)材料,簡化施工,提高模板的利用率,達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；空心橋墩；總體設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模板倒用率；計(jì)算原則

1概述

山區(qū)鐵路受地形、鐵路坡度和線路平面條件的限制，需修建大量的高橋。橋墩的高度較大時(shí)，受剛度條件控制，墩身尺寸很大，采用實(shí)體墩時(shí)混凝土數(shù)量很多，基礎(chǔ)受力也大，已很不適應(yīng)。空心墩具有剛度大、自重輕、節(jié)省材料、減小基礎(chǔ)受力的優(yōu)點(diǎn)，是橋梁高墩的主要形式之一，特別是高度大于30 m時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為明顯。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了空心墩的推廣[1]。

采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的通用參考圖是鐵路工程常用設(shè)計(jì)方法，能簡化設(shè)計(jì)和施工，有利于保證工程質(zhì)量，減輕設(shè)計(jì)工作量。結(jié)合客貨共線鐵路圓端形空心墩參考圖的設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)空心墩的總體性要素、構(gòu)造尺寸的確定、計(jì)算的項(xiàng)目及計(jì)算原則進(jìn)行詳細(xì)分析。

2適用范圍

(1)設(shè)計(jì)速度：旅客列車設(shè)計(jì)行車速度160、200 km/h；貨車設(shè)計(jì)速度不大于120 km/h(轉(zhuǎn)8A貨車設(shè)計(jì)速度不大于80 km/h)；困難條件下曲線半徑與相應(yīng)的設(shè)計(jì)速度匹配。

(2)直、曲線，曲線半徑R≥800 m。

(3)設(shè)計(jì)跨度及配套梁圖

設(shè)計(jì)跨度采用32 m+32 m、32 m+24 m。由于采用空心橋墩的橋梁，線路走行位置相對(duì)較高，橋梁高度相對(duì)較高，從跨度高度適配性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，主要以32 m跨度設(shè)計(jì)為主，24 m跨度調(diào)整。

配套梁圖采用部頒通橋(2012)2101、通橋(2012)2201、通橋(2012)2109、通橋(2012)2209。

(4)支座類型：采用滿足《通橋(2007)8160》的支座。

(5)環(huán)境類別及作用等級(jí)：T2環(huán)境。

(6)設(shè)計(jì)使用年限：正常使用條件下橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命為100年。

(7)橋墩設(shè)計(jì)高度25～50 m；大于50 m的橋墩相對(duì)較少，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的意義不大。由于空心橋墩施工采用內(nèi)外模板，施工難度相對(duì)較大，墩高低于25 m時(shí)實(shí)體橋墩與空心橋墩圬工量相差不是很大，采用施工相對(duì)簡單的實(shí)體橋墩。

(8)地震動(dòng)峰值加速度按Ag=0.05g、Ag=0.1～0.15g、Ag=0.20g三級(jí)抗震設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分別按Tg=0.35 s、Tg=0.45 s、Tg=0.55 s考慮。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋墩結(jié)構(gòu)的尺寸主要有墩頂縱橫向尺寸、墩身外坡、墩身內(nèi)坡、墩頂壁厚、墩頂實(shí)體段厚、墩底實(shí)體段厚、墩頂過渡段倒角尺寸、墩底過渡段倒角尺寸及頂帽縱橫向尺寸。

頂帽縱橫向尺寸是適用的最小曲線半徑、支座尺寸及適用的最大線間距等因素控制，支承墊石邊緣距頂帽邊緣的最小距離應(yīng)滿足規(guī)范的規(guī)定，橋墩檢查設(shè)備等附屬工程的設(shè)置也會(huì)有所不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各因素后確定[2]。

墩頂實(shí)體段厚、墩底實(shí)體段厚、墩頂過渡段倒角尺寸及墩底過渡段倒角尺寸是空心墩受力過渡的需要，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空心墩墩頂實(shí)體段一般采用3～5 m。由于實(shí)體段的混凝土量較大，為節(jié)省混凝土，厚度滿足受力要求即可。墩頂實(shí)體段暫定為3 m，墩底實(shí)體段暫定為2 m，后期通過實(shí)體單元分析決定。[3]

墩頂縱橫向尺寸、墩身外坡、墩身內(nèi)坡及墩頂壁厚影響墩身剛度和材料用量，且各尺寸間相互影響。尺寸設(shè)計(jì)合理時(shí)能節(jié)省材料的用量，節(jié)約施工費(fèi)用，降低工程造價(jià)。

3.1　墩頂壁厚的擬定

對(duì)于鋼筋混凝土空心墩，壁厚不宜小于30 cm，對(duì)于混凝土空心墩，壁厚不宜小于50 cm。壁厚較薄時(shí)，混凝土數(shù)量較少，但鋼筋用量多，且增加施工難度。

局部穩(wěn)定一般通過增加壁厚來保證，目前一般均不設(shè)置橫隔板。理論分析和模型試驗(yàn)中，尚未能確定隔板對(duì)穩(wěn)定和強(qiáng)度的明顯作用，且設(shè)置隔板對(duì)施工妨礙較大。從局部穩(wěn)定試驗(yàn)分析得出，圓形墩的壁厚t≥(1/10～1/15)R和矩形墩的壁厚t≥(1/10～1/15)b時(shí)，一般空心墩均可不設(shè)置隔板(其中R為圓形截面內(nèi)外半徑之中值，b為矩形截面板寬)。[1]

綜上所述，墩頂壁厚暫定為50 cm。

3.2　墩頂尺寸、墩身坡度的擬定

(1)墩頂尺寸、墩身坡度及墩壁厚度對(duì)橋墩混凝土用量和縱向剛度的影響

合理的墩頂尺寸、墩身坡度可以節(jié)省材料，由表1可知，增加縱向剛度的有效辦法依次為墩頂縱向尺寸→墩身外坡→墩頂橫向尺寸→墩身內(nèi)坡→壁厚，目前高墩尺寸主要是受剛度要求控制，為節(jié)省材料，最有效的方法是增加墩身縱向尺寸。

表1　尺寸變化時(shí)混凝土用量和縱向剛度的變化

(2)墩頂尺寸、墩身坡度的擬定

設(shè)計(jì)空心墩時(shí)，由于不同墩高需要的墩身剛度不同，傳統(tǒng)的做法是按墩身高度分級(jí)采用不同的墩頂尺寸、墩身坡度、壁厚等做法，現(xiàn)橋墩施工基本采用整體鋼模板，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮方便施工及減少模板制作。設(shè)計(jì)采用了3種方案進(jìn)行比較，以雙線橋墩為例說明各方案的情況。

方案1：外坡一致，內(nèi)坡按照墩高25 m≤H<40 m、40 m≤H≤50 m分二級(jí)設(shè)計(jì)。尺寸詳見表2。

方案2：按墩高25 m≤H<30 m、30 m≤H<40 m、40 m≤H≤50 m分三級(jí)設(shè)計(jì)，采用不同墩身內(nèi)坡和外坡。尺寸詳見表3。

表2　方案1墩身尺寸、剛度、數(shù)量

方案3：按墩高25 m≤H<30 m、30 m≤H<35 m、35 m≤H<40 m、40 m≤H<45 m、45 m≤H≤50 m分5級(jí)設(shè)計(jì)，內(nèi)坡和外坡一致，僅墩頂尺寸不同。尺寸詳見表4。

表3　方案2墩身尺寸、剛度、數(shù)量

表4　方案3墩身尺寸、剛度、數(shù)量

各方案模板倒用的情況如下：方案2模板倒用率最低，僅能在同一墩高范圍內(nèi)倒用模板。方案1模板倒用率最高，方案3模板倒用率較高，方案1、方案3模板倒用關(guān)系見圖1。

圖1　外模板倒用關(guān)系(單位：cm)

縱向線剛度限值、縱向位移限值和橫向位移限值控制橋墩剛度的選取，雙線橋墩主要是縱向剛度要求控制，但單線橋墩的橫向位移也是控制墩身剛度的條件，合理的橋墩剛度能減小基礎(chǔ)的工程量?？招母叨湛拐鹦阅芰己肹4]，由于空心高墩自振周期一般均大于場(chǎng)地特征周期，所以在滿足縱向線剛度、縱向位移限值和橫向位移限值要求的情況下，剛度越小，自重越小，地震作用越小，受力更合理，特別是對(duì)于墩高大于40 m的B類橋梁，由于多遇地震作用下重要性系數(shù)為1.5，地震作用減小越明顯。[5]

以雙線橋墩為例各方案對(duì)墩身剛度進(jìn)行校核，基礎(chǔ)配置示意詳見圖2、圖3。方案1基礎(chǔ)配置情況見表5。方案2基礎(chǔ)配置情況見表6。方案3基礎(chǔ)配置情況見表7。

圖2　剛度要求的基頂平面(一)

圖3　剛度要求的基頂平面(二)

表5　方案1基礎(chǔ)配置

注：表中基礎(chǔ)剛度未考慮承臺(tái)抗力，樁頂土地基比例系數(shù)m采用8 000 kPa/m2，自由樁長按1.5 m計(jì)算。承臺(tái)均采用2.5 m厚，但50 m墩高的承臺(tái)不滿足剛性角要求，采用3 m厚。

表6　方案2基礎(chǔ)配置

注：表中基礎(chǔ)剛度未考慮承臺(tái)抗力，樁頂土地基比例系數(shù)m采用8 000 kPa/m2，自由樁長按1.5 m計(jì)算。承臺(tái)均采用2.5 m厚。

表7　方案2基礎(chǔ)配置

注：表中基礎(chǔ)剛度未考慮承臺(tái)抗力，樁頂土地基比例系數(shù)m采用8 000 kPa/m2，自由樁長按1.5 m計(jì)算。承臺(tái)均采用2.5 m厚。

3種方案比較：方案1優(yōu)點(diǎn)是外坡一致，內(nèi)坡變化不多，模板倒用率高，節(jié)省施工費(fèi)用；缺點(diǎn)是高墩時(shí)剛度偏小，材料用量大，低墩的剛度偏大，且由于尺寸較大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)受尺寸控制，并不節(jié)省材料。方案2優(yōu)點(diǎn)是高墩時(shí)橋墩剛度大，橋墩較高時(shí)材料用量較小；缺點(diǎn)是低墩時(shí)剛度偏大，材料用量大，且由于尺寸較大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)受尺寸控制，基礎(chǔ)并不節(jié)省材料，另外由于墩身外坡和內(nèi)坡分級(jí)變化，模板倒用少，施工費(fèi)用高。方案3優(yōu)點(diǎn)是高墩和低墩時(shí)剛度均合適，所有高度的橋墩材料用量小，節(jié)省造價(jià)；外坡、內(nèi)坡不變化，外模板較方案1略多一些，內(nèi)模板的通用性較方案1好。技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果見表8。

綜上所述，墩高按25 m≤H<30 m、30 m≤H<35 m、35 m≤H<40 m、40 m≤H<45 m、45 m≤H≤50 m分5級(jí)設(shè)計(jì)：內(nèi)坡和外坡一致，僅墩頂尺寸不同，方案3優(yōu)勢(shì)非常明顯。

表8　3個(gè)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由于墩身剛度要求導(dǎo)致截面尺寸較大，根據(jù)局部穩(wěn)定要求，采用壁厚0.5 m也比較合適。

4空心墩計(jì)算原則

(1)常規(guī)力檢算

按照《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.4—2005)和《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》(TB10002.3—2005)進(jìn)行常規(guī)荷載、斷軌力作用下的墩身強(qiáng)度檢算。

常規(guī)力包括恒載、活載、離心力、搖擺力、無縫線路長鋼軌縱向水平力、制動(dòng)力或牽引力、溫度荷載、風(fēng)荷載，按規(guī)范進(jìn)行組合后檢算橋墩強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。[6]

(2)墩身整體縱向穩(wěn)定性

按照《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.4—2005)第5.1.2條，對(duì)橋墩的整體縱向穩(wěn)定性進(jìn)行檢算。

(3)空心橋墩墩身局部穩(wěn)定

局部穩(wěn)定由結(jié)構(gòu)尺寸控制。根據(jù)鐵路設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)《橋梁墩臺(tái)》，最小壁厚t滿足下式：t≥(0.1～0.067)R(R為墩身半徑)或t≥(0.1～0.067)b(b為墩身寬度)時(shí)，可不檢算墩身局部穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的尺寸均滿足該條件，不再檢算局部穩(wěn)定。

(4)空心橋墩固端干擾應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)鐵基字(75)953號(hào)文規(guī)定，高度在50 m以內(nèi)的空心墩，按懸臂理論計(jì)算的截面應(yīng)力增大50%的辦法計(jì)算局部應(yīng)力，并采用空間實(shí)體模型對(duì)頂帽及上下空實(shí)交接截面的受力進(jìn)行計(jì)算分析驗(yàn)證。同時(shí)對(duì)墩頂、底實(shí)體段進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置頂帽、托盤、空實(shí)交界處的配筋。

(5)空心橋墩溫度應(yīng)力計(jì)算

空心墩由于墩內(nèi)通風(fēng)不良，且混凝土本身導(dǎo)熱性能低，故當(dāng)墩周氣溫發(fā)生驟變時(shí)，墩壁內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差，溫差沿墩壁厚度分布是非線性的，而截面變形服從平截面假定，于是截面溫度變形受到約束而產(chǎn)生內(nèi)約束溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力應(yīng)分別按氣溫升溫、太陽輻射升溫和寒潮降溫進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果檢算橋墩豎向鋼筋和箍筋[7-8]。

對(duì)于高大橋墩受溫度荷載作用下，有砟無縫線路的受力和變形已經(jīng)做了大量研究[9-13]，研究結(jié)果是高墩大跨橋梁可不考慮橋墩溫度變形對(duì)線路受力的影響，設(shè)計(jì)僅考慮溫度變化對(duì)橋墩自身的受力影響。

(6)空心橋墩自振周期

空心橋墩的縱、橫向基階自振周期

T1<0.25H0.5

式中T1——橋墩縱、橫向基階自振周期；

H——橋墩墩頂至基礎(chǔ)頂面的高度。

(7)地震作用檢算

按照《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.4—2005)[14]、《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》(TB10002.3—2005)[15]和《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)[16]進(jìn)行常規(guī)荷載、斷軌力及多遇地震作用下的墩身強(qiáng)度檢算，檢算時(shí)對(duì)配套梁圖和跨度均進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)計(jì)通用圖時(shí)應(yīng)考慮適應(yīng)范圍應(yīng)盡可能包括經(jīng)常遇到的情況，明挖基礎(chǔ)一般用于地質(zhì)條件較好的場(chǎng)地上，所以檢算時(shí)按地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg=0.35 s，基礎(chǔ)按墩底固結(jié)考慮；樁基礎(chǔ)按地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg=0.45 s和0.55 s分別進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算時(shí)樁基假定按縱向線剛度為600 kN/cm、橫向剛度應(yīng)滿足墩頂?shù)奈灰埔?，根?jù)計(jì)算結(jié)果配置豎向鋼筋。

(8)延性分析

對(duì)罕遇地震作用下進(jìn)行延性分析，采用Xtract軟件計(jì)算墩底截面的屈服曲率、屈服彎矩及極限曲率，得到橋墩有效截面抗彎慣性矩。[17]在Midas軟件中建立橋墩模型，對(duì)截面的慣性矩進(jìn)行調(diào)整，輸入相應(yīng)的罕遇地震反應(yīng)譜，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到橋墩的最大位移，檢算豎向鋼筋和箍筋的配置。

在計(jì)算前先采用了Seismostruct軟件建立橋墩纖維單元模型，進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)分析，得到橋墩的最大位移的方法對(duì)設(shè)計(jì)采用的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

5結(jié)論

空心墩具有剛度大、自重輕、節(jié)省材料、減小基礎(chǔ)受力的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過系統(tǒng)的分析鐵路空心墩的各尺寸要素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，主要研究結(jié)論如下。

(1)空心墩增加縱向剛度的有效辦法依次為墩頂縱向尺寸→墩身外坡→墩頂橫向尺寸→墩身內(nèi)坡→壁厚。

(2)目前高墩尺寸主要是受剛度要求控制，為節(jié)省材料，最有效的方法是增加墩身縱向尺寸。

(3)為節(jié)省模板墩身坡度宜減少種類。

(4)綜合考慮各高度橋墩剛度的要求，可采用改變墩頂縱向尺寸，但采用相同的墩身外坡和內(nèi)坡，在適當(dāng)增加外模的情況下，達(dá)到各種高度橋墩均獲得合理剛度的要求；且內(nèi)坡一致后，內(nèi)模也相應(yīng)獲得簡化。

設(shè)計(jì)中創(chuàng)新地采用統(tǒng)一的內(nèi)坡和外坡、分級(jí)采用不同的墩頂尺寸的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了客貨共線鐵路簡支T梁圓端形空心墩參考圖，該套設(shè)計(jì)圖具有節(jié)省材料和施工模板、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，該空心墩將廣泛應(yīng)用于客貨共線鐵路橋梁中，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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General Design of Round-ended Hollow Pier Reference Plot for Mixed Passenger and Freight RailwayWU Wen-hua

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Based on the reference plot design of simple-supported T-shaped girder round-ended hollow pier for mixed passenger and freight railway, this paper analyzes the general elements and the determination of structure size, and summarizes the items that should be calculated and calculation principles. The results show that appropriate stiffness can be acquired with proper design scheme and structure size to save materials for pier and foundation, simplify construction organization, improve formwork utilization and reduce project cost.

Key words：Railway bridge; Hollow pier; General design; Structure design, Formwork utilization; Calculation principle

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DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.014

文章編號(hào)：1004-2954(2016)02-0066-05

作者簡介：吳文華(1976—)，男，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院交通土建工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:qswwh@fsdi.com.cn。

收稿日期：2015-09-09； 修回日期：2015-11-10