蒙內(nèi)鐵路雙固定墩設(shè)計(jì)研究

李祁偉　李曉霞　張耀月

(中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京　100088)

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蒙內(nèi)鐵路雙固定墩設(shè)計(jì)研究

李祁偉李曉霞張耀月

(中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100088)

介紹肯尼亞蒙內(nèi)鐵路不同高度的雙固定橋墩設(shè)計(jì)、配筋方法及工程簡化方案。

鐵路橋梁雙固定墩施工簡化配筋設(shè)計(jì)

1　概述

蒙內(nèi)鐵路(蒙巴薩港-內(nèi)羅畢)位于肯尼亞境內(nèi)，是東非鐵路網(wǎng)的起始段，是首條海外采用中國標(biāo)準(zhǔn)的鐵路。鐵路等級：中國國鐵Ⅰ級；正線數(shù)目：單線；設(shè)計(jì)活載：“中-活載”；設(shè)計(jì)客運(yùn)時(shí)速120km、貨運(yùn)時(shí)速80km。

蒙內(nèi)鐵路上部結(jié)構(gòu)采用以32m、24m為主的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，執(zhí)行中華人民共和國部頒通橋[2012]2101系列。下部結(jié)構(gòu)采用單線圓端形實(shí)體混凝土橋墩，執(zhí)行中華人民共和國部頒通橋[2012]4103系列。

蒙內(nèi)鐵路將進(jìn)一步完善東非鐵路網(wǎng)，增加?xùn)|非國家的運(yùn)力，對非洲國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要支撐作用。受限于當(dāng)?shù)刂圃旒庸に剑瑯蚨漳０宀捎脟鴥?nèi)制作運(yùn)輸，成本高，周期長。因此，如何減少特殊橋墩類型，采用標(biāo)準(zhǔn)化施工，成為本線下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，也是工程快速開展的關(guān)鍵。

2　雙固定墩

鐵路支座的設(shè)置一般應(yīng)遵循如下原則：在坡道上，設(shè)計(jì)在下坡端；在區(qū)間平道上，設(shè)置在重車方向的前端；在車站附近，設(shè)置在靠車站一端[1]。而在實(shí)際鐵路線路設(shè)計(jì)時(shí)，變坡點(diǎn)位置受限于多種因素，如地形地貌、立交位置、鐵路限坡及排洪等，有時(shí)不可避免將凹曲線設(shè)置在橋上。據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》3.3.12款，在凹曲線處的某個(gè)橋墩上應(yīng)設(shè)置兩個(gè)固定支座，即雙固定墩。

3　橋墩設(shè)計(jì)荷載

雙固定墩應(yīng)采取特殊設(shè)計(jì)[1]，對不同跨度T梁，其上部結(jié)構(gòu)受力截然不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際受力情況進(jìn)行雙固定墩的設(shè)計(jì)研究。

鐵路橋涵設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性將荷載分為主力、附加力及特殊荷載。在普通橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的活載布置形式采用不同的橋墩計(jì)算荷載組合?？紤]單孔輕載、單孔重載、雙孔輕載、雙孔重載及無列車通過5種活載布置方式，并用以上5種活載情況結(jié)合不同的附加力，衍生出19種控制組合。

雙固定墩設(shè)計(jì)荷載按橋墩實(shí)際受力分析，根據(jù)19種控制組合進(jìn)行調(diào)整。

4　問題的提出

為對比兩種橋墩的受力，分別采用標(biāo)準(zhǔn)墩頂外力及雙固定墩頂外力計(jì)算墩高h(yuǎn)=8m時(shí)(含墩帽，下同)通橋(2012)標(biāo)準(zhǔn)墩，結(jié)果如表1所示。

計(jì)算表明，標(biāo)準(zhǔn)墩頂外力作用下，墩身偏心比及墩身混凝土拉應(yīng)力值均處于較低水平，橋墩設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，并留有一定安全儲備。雙固定墩頂外力作用下，墩身偏心比及混凝土拉應(yīng)力值均已嚴(yán)重超限，影響橋墩的穩(wěn)定性與抗裂性，可見雙固定橋墩存在特殊性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)別對待。

表1　兩種外力結(jié)果(32 m+32 m梁)

調(diào)整坡身坡比，增加墩底截面尺寸，可以使偏心比及拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。但這樣會造成墩身截面的迅速增大，既浪費(fèi)混凝土資源又會影響橋梁的整體美觀(H=10m時(shí)，墩身坡比需采用m=15∶1)。同時(shí)，單個(gè)特殊坡比橋墩會拖累工期，不利于工程快速開展。

5　計(jì)算分析

5.1直線墩高≤4 m橋墩分析

墩高h(yuǎn)=4m時(shí)，橋墩尺寸采用通橋(2012)標(biāo)準(zhǔn)墩設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　墩高h(yuǎn)=4 m時(shí)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算表明，墩高h(yuǎn)≤4m的雙固定墩，在32m+32m及24m+24m跨度組合下，墩身最大偏心比分別為e/s=0.46、e/s=0.43，滿足規(guī)范要求；混凝土拉應(yīng)力值分別為-0.75MPa、-0.59MPa，亦與標(biāo)準(zhǔn)墩頂外力作用時(shí)的墩身應(yīng)力水平相近。

5.2直線墩高5～8 m橋墩分析

墩高h(yuǎn)=5～8m時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表3　墩高5～8 m計(jì)算結(jié)果(24 m+24 m)

表4　墩高5～8 m計(jì)算結(jié)果(32 m+32 m)

注：通橋(2012)標(biāo)準(zhǔn)墩尺寸嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)圖中跨度及墩高選用；雙固定墩(調(diào)整后)尺寸根據(jù)計(jì)算控制條件進(jìn)行了優(yōu)選，但同樣是標(biāo)準(zhǔn)墩尺寸。

(1)通橋(2012)標(biāo)準(zhǔn)墩：墩高h(yuǎn)=5～8m時(shí)，在兩種跨度組合下，墩身最大偏心比及最大拉應(yīng)力值均已超限。

(2)雙固定墩(調(diào)整后)：墩高h(yuǎn)=5～8m時(shí)，24m+24m跨度組合作用下，可將墩頸尺寸按通用圖提高一個(gè)跨度等級，調(diào)整后計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

32m+32m跨度組合作用下，調(diào)整墩頸尺寸和坡身坡比對于h=5～7m的橋墩同樣有效。但當(dāng)h=8m時(shí)，仍然需要調(diào)整墩身坡比及墩身最大偏心比及拉應(yīng)力，才能勉強(qiáng)符合規(guī)范要求。

5.3直線墩高≥8 m橋墩分析

由上節(jié)計(jì)算，當(dāng)墩高h(yuǎn)≥8m時(shí)，橋墩不適于繼續(xù)采用素混凝土結(jié)構(gòu)，建議按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.4曲線橋墩分析

曲線墩設(shè)計(jì)取曲線半徑R=1 200m，其它荷載組合同直線橋墩。限于篇幅，直接給出曲線橋墩計(jì)算結(jié)果，如表5、表6所示。

計(jì)算表明：24m+24m跨度組合作用下，在墩高4～7m范圍內(nèi)，可將墩頸尺寸和墩身坡比按通用圖優(yōu)選，調(diào)整后計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

32m+32m跨度組合作用下，調(diào)整墩頸尺寸和坡身比僅僅對h=4～5m的橋墩有效，當(dāng)h=6～8m時(shí)，計(jì)算結(jié)果仍然超過限值較多。

可見，在雙固定墩外力荷載作用下，曲線橋墩的受力條件較直線墩差，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先采用直線雙固定墩，對工程穩(wěn)定性、耐久性有利。

表5　墩高4～8 m計(jì)算結(jié)果(24 m+24 m)

6　算例

鋼筋混凝土橋墩靜力分析計(jì)算采用墩高h(yuǎn)=12m，上部結(jié)構(gòu)24m+24m簡支T梁，參數(shù)如表7所示。

表7　鋼筋混凝土墩參數(shù)(24 m+24 m)

計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8　墩底截面計(jì)算結(jié)果

計(jì)算表明，在最不利荷載組合作用下，墩身鋼筋最大拉應(yīng)力值、混凝土最大壓應(yīng)力值及墩身剛度均滿足規(guī)范要求。

7　結(jié)論

通過理論分析及算例驗(yàn)證，得出既可以避免增加橋墩模板，又能夠使結(jié)構(gòu)安全滿足需要的雙固定墩設(shè)計(jì)方案(如表9所示)。

表9　雙固定墩選用

(1)雙固定墩為特殊工點(diǎn)，設(shè)計(jì)及施工難以與標(biāo)準(zhǔn)墩統(tǒng)一，墩身坡比及配筋均不同于普通橋墩，不利于工程的快速順利開展，工程前期應(yīng)盡量避免凹曲線出現(xiàn)在橋梁上。

(2)雙固定墩設(shè)計(jì)時(shí)，橋墩受力情況與普通橋墩受力情況有很大區(qū)別。如若簡單套用原標(biāo)準(zhǔn)墩尺寸，勢必會造成墩身混凝土應(yīng)力超限，甚至產(chǎn)生裂縫，給工程埋下隱患。

(3)在相同的墩頸尺寸及墩身坡比時(shí)，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選擇小跨度的雙固定墩。

(4)當(dāng)墩高較高時(shí)，應(yīng)考慮將橋墩設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，此時(shí)，橋墩剛度可按雙線控制。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—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.TB10002.3—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.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：中國鐵道出版社，2005

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

[5]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.橋涵地基和基礎(chǔ)[M].北京：中國鐵道出版社，2002

[6]鐵道部第四勘測設(shè)計(jì)院.橋梁墩臺[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[7]黃棠.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國鐵道出版社，1989

[8]高策.城際鐵路雙線圓端形實(shí)體橋墩設(shè)計(jì)研究[J].鐵道勘察，2013(2)

[9]北京市規(guī)劃委員會.GB50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013

[10]中華人民共和國鐵道部.GB5011—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2009

Dual Fixed Bearing Design Study of Mombasa-Nairobi Standard Railway Dual Fixed Bearing Design Study

LI QiweiLI XiaoxiaZhang yaoyue

2016-03-15

李祁偉(1983—)，男，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)城市軌道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，高級工程師。

1672-7479(2016)04-0084-03

U443.22

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