既有鐵路病害路基改橋梁設(shè)計(jì)

鄒　蕾

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京　102600)

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既有鐵路病害路基改橋梁設(shè)計(jì)

鄒蕾

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600)

某高填路基出現(xiàn)裂縫、下沉外鼓，存在較大的安全隱患。為保障行車安全，將病害路基改為簡支橋梁，且要滿足在不中斷鐵路運(yùn)營情況下的施工。采用鋼筋混凝土框架式橋墩，既有路基兩側(cè)設(shè)樁基礎(chǔ)，用MIDAS空間分析程序與鐵路橋梁軟件HRBD程序?qū)蚨张c基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

病害路基改橋梁安全框架墩

1　工程背景

既有鐵路一段路基位于水庫區(qū)，為高填路基形式，路基一側(cè)為裸露的巖石山體，另一側(cè)為臨近水庫的線路護(hù)坡，受水庫蓄放水影響，線路路基出現(xiàn)裂縫、下沉外鼓，向水庫側(cè)滑移，幾何尺寸難以保持，常出現(xiàn)嚴(yán)重晃車。對(duì)2007年至2011年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比：年下沉量約4～7 mm(其中8～9月份下沉約4 mm)，累計(jì)下沉約35 mm。在水庫蓄放水及強(qiáng)降雨等不利條件影響下病害會(huì)加劇發(fā)展，極易引起路基大面積滑移、坍塌，危及行車安全。

2　設(shè)計(jì)概況

為保障鐵路運(yùn)輸安全，根治病害，將本段路基改為橋梁，上部結(jié)構(gòu)采用(1-16+1-24+1-16) m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁。為滿足不間斷鐵路運(yùn)營及施工要求，下部基礎(chǔ)1、2號(hào)橋墩設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土框架式橋墩，橫梁尺寸為10.6 m×3.2 m×2.0 m，為布置樁基需要，兩端2.6 m范圍內(nèi)加寬至5.8 m(稱作承臺(tái))，每墩設(shè)4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁，每端2根，布置在既有路基兩側(cè)。兩橋臺(tái)采用T形橋臺(tái)，下接框架式橫梁，設(shè)4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3　下部基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1地質(zhì)狀況

地勘揭露，場(chǎng)地內(nèi)自上而下為素填土(路基填料)、粗砂、礫巖。地下水位受水庫的影響，變化較大。根據(jù)《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.15g，相當(dāng)于地震基本烈度7度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為二區(qū)，場(chǎng)地土為中軟土和基巖，為Ⅱ類場(chǎng)地。最大凍結(jié)深度為0.5 m。

3.2設(shè)計(jì)荷載及組合

(1)恒載(γ取25 kN/m3)

包括上部的梁重及二期恒載：二期恒載重量包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層、混凝土基座等線路設(shè)備，以及防水層、保護(hù)層、人行道欄桿或聲屏障、遮板、防護(hù)墻、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設(shè)施重量。恒載合計(jì)為2 810 kN。[1]

(2)混凝土收縮徐變

此處計(jì)算不考慮混凝土收縮徐變的影響。

(3)列車豎向靜活載

采用中-活載。

(4)沖擊系數(shù)計(jì)算

式中Lφ——結(jié)構(gòu)的計(jì)算跨度/m。

(5)橫向搖擺力：列車橫向搖擺力為活載主力，取100 kN，作為一個(gè)集中活載作用于橋梁結(jié)構(gòu)最不利位置，其作用點(diǎn)在垂直線路中線的鋼軌頂面。

(6)制動(dòng)力或牽引力

按列車豎向靜活載的10%計(jì)算。

(7)地震力

按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)2009年版規(guī)定計(jì)算[5]。

3.3設(shè)計(jì)荷載組合

主力：自重+梁重+二期恒載+列車活載+橫向搖擺力

主+附：自重+梁重+二期恒載+列車活載+橫向搖擺力+制動(dòng)力

3.4材料

(1)混凝土：橫梁及樁基均采用C30混凝土。

(2)普通鋼筋分別采用HPB300(fsk=300 MPa)和HRB400(fsk=40 MPa)鋼筋作為受力鋼筋。

3.5結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用MIDAS空間分析程序計(jì)算內(nèi)力[11]，用鐵路橋梁軟件HRBD程序[10]進(jìn)行配筋驗(yàn)算，以2號(hào)墩為例進(jìn)行各項(xiàng)計(jì)算。

(1)構(gòu)造尺寸

2號(hào)墩設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土框架式橋墩，橫梁尺寸為10.6 m×3.2 m×2.0 m，為布置樁基需要，兩端各2.6 m范圍內(nèi)加寬至5.8 m，布置2根直徑1.5 m鉆孔樁。1號(hào)墩只是Lp=16 m側(cè)支承墊石高度為54.32 cm，其余尺寸均與2號(hào)墩相同(如圖1、圖2所示)。

圖1　2號(hào)橋墩立面(單位：cm)

圖2　2號(hào)橋墩平面(單位：cm)

(2)計(jì)算模型

橫梁及樁基均采用梁單元，共計(jì)94個(gè)單元，101個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，靠近山體側(cè)樁長15 m，靠近水邊一側(cè)樁長25 m。樁基與承臺(tái)連接采用剛性連接，樁底固結(jié)。樁基與土層之間的作用通過設(shè)立橫向和縱向土彈簧來模擬[12]，等代土彈簧的剛度ks=abpmZ，其中，a為土層的厚度，bp為土層的寬度，Z為土層的深度。根據(jù)地質(zhì)資料，上層粉質(zhì)黃土m值取8 000 kPa/m2，土層厚度18 m，下層礫巖m值取80 000。每1 m設(shè)置1個(gè)土彈簧支撐，土層厚度為1 m，隨著土層的深度增加，ks增大，各土彈簧對(duì)應(yīng)的ks值如表1、表2所示。

(3)下部結(jié)構(gòu)整體剛度

給模型分別施加順橋向及橫橋向的集中力，計(jì)算單位力作用下產(chǎn)生的位移，從而得出順橋向的剛度為4 166.7 kN/cm，橫橋向剛度6 666.7 kN/cm。

表1　樁土彈簧對(duì)應(yīng)的ks值(15 m樁長)

(4)成橋狀態(tài)檢算

表2　樁土彈簧對(duì)應(yīng)的ks值(25 m樁長)

橫梁抗彎檢算：給模型施加荷載，分別考慮在單孔重載及雙孔重載兩種最不利情況下，通過MIDAS得出主力和主力+附加力兩種荷載組合情況下的內(nèi)力，用HRBD程序按矩形實(shí)心截面雙向偏心受壓進(jìn)行配筋計(jì)算(鋼筋中心保護(hù)層厚7 cm)，結(jié)果如圖3、表3～表6所示。

圖3　HRBD程序橫梁配筋檢算參數(shù)設(shè)置

通過配筋檢算可知，在雙孔重載情況下，主力作用下計(jì)算結(jié)果最不利，橫梁底配直徑28 mm的鋼筋，間距不大于10 cm布置能滿足要求，但富余值較小，所以為安全考慮，采用直徑30 mm鋼筋，間距10 cm布置；橫梁頂及兩側(cè)配直徑16 mm的鋼筋，間距10 cm布置。

表3　單孔重載情況下MIDAS計(jì)算橫梁內(nèi)力結(jié)果

表4　單孔重載情況下HRBD程序檢算應(yīng)力結(jié)果　MPa

表5　雙孔重載情況下MIDAS計(jì)算橫梁內(nèi)力結(jié)果

表6　雙孔重載情況下HRBD程序檢算應(yīng)力結(jié)果　MPa

橫梁抗剪計(jì)算：提取MIDAS計(jì)算結(jié)果中橫梁與承臺(tái)相連位置處的剪力，進(jìn)行剪應(yīng)力驗(yàn)算。

表7　橫梁剪力檢算結(jié)果

結(jié)論：抗剪最不利截面上中性軸處的剪應(yīng)力均小于0.73 MPa，說明橫梁只需按構(gòu)造要求配置箍筋即可。

樁基配筋計(jì)算：樁基配筋擬定為直徑20 mm的鋼筋，間距20 cm布置。按圓形截面偏心受壓&偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4及表8～表13所示。

圖4　樁基配筋檢算參數(shù)設(shè)置

表8　單孔重載情況下MIDAS計(jì)算內(nèi)力結(jié)果

表9　單孔重載情況下HRBD程序計(jì)算應(yīng)力結(jié)果(主力作用下)

表10　單孔重載情況下HRBD程序計(jì)算內(nèi)力結(jié)果(主力+附加力作用下)

表11　雙孔重載情況下MIDAS計(jì)算內(nèi)力結(jié)果

表12　雙孔重載情況下HRBD程序計(jì)算應(yīng)力結(jié)果(主力作用下)

表13　雙孔重載情況下HRBD程序計(jì)算內(nèi)力結(jié)果(主力+附加力作用下)

由計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)柱樁配直徑20 mm通長的鋼筋，間距20 cm能滿足要求。為滿足規(guī)范規(guī)定的最小配筋率(0.5%)要求，對(duì)樁基配以直徑20 mm通長鋼筋，間距12.9 cm。

(5)施工移梁過程計(jì)算

分別以集中力模擬梁作用在從承臺(tái)中間移動(dòng)到橫梁跨中，如圖5所示，梁分別位于1、2、3、4、5、6、7、8、9九個(gè)位置時(shí)(即梁分別從水邊側(cè)開始移梁和從山體側(cè)開始移梁兩種情況均考慮在內(nèi))，用MIDAS計(jì)算橫梁及樁基內(nèi)力，用HRBD程序進(jìn)行配筋驗(yàn)算。

圖5　以靜荷載模擬移梁過程，假定梁所處的位置

橫梁主筋驗(yàn)算：通過MIDAS得出恒載分別與梁位于不同位置的荷載組合情況下的內(nèi)力，從提取內(nèi)力看，梁位于承臺(tái)上時(shí)最不利。進(jìn)行配筋驗(yàn)算，橫梁底需配直徑20 mm主筋，按間距10 cm布置；底及兩側(cè)配直徑16 mm鋼筋，也按10 cm間距布置即可。

表14　橫梁不同位置剪力檢算

由計(jì)算結(jié)果可知，抗剪最不利截面上中性軸處的剪應(yīng)力均小于0.73 MPa，說明橫梁只需按構(gòu)造要求配置箍筋即可。

樁基配筋計(jì)算：以上述擬定的樁基配筋(直徑20 mm通長的鋼筋，間距20 cm)進(jìn)行計(jì)算可知，移梁過程中，樁基配筋不控制，擬定的鋼筋布置形式滿足要求。

4　結(jié)論

(1)橫梁底鋼筋直徑φ30 mm，間距10 cm布置，頂及兩側(cè)鋼筋直徑φ16 mm，間距10 cm布置，凈保護(hù)層7 cm；箍筋按構(gòu)造要求布置。

(2)樁基鋼筋直徑φ20 mm，間距12.9 cm布置，主筋中心至混凝土邊緣9.2 cm。

(3)采用鋼筋混凝土框架式橋墩，在既有路基兩側(cè)分設(shè)樁基，能滿足在不間斷鐵路運(yùn)營的情況下，將路基改造為橋梁，避開路基病害，保障鐵路運(yùn)輸安全。

[1]TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]

[2]TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]GB50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]GB10002.3—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]

[5]GB50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6]李喬.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國鐵道出版社，2004

[7]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001

[8]韓斌.既有線200 km/h提速改造工程路基處理措施[J].鐵道勘察，2006(2)

[9]魏永幸，左德元.對(duì)高速鐵路以橋代路條件及其決策的思考[J].鐵道勘察，2006(2)

[10]邱順東. 橋梁工程軟件midas Civil常見問題解答[M].北京：人民交通出版社，2009

[11]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

Design of the Bridge Instead of the Railway Sub-Grade Diseased

ZHOU Lei

2016-01-13

鄒蕾(1980—)，女，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0092-05

U442.5

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