京張高鐵預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)實(shí)例分析

尹斌

摘 要：京張高鐵某工點(diǎn)與改建京包線交叉，夾角較小，因此采用框架墩跨越改建京包線。文章結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)框架墩設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的分析介紹，并通過(guò)調(diào)整施工順序達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，工程施工后滿足了施工要求，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：框架墩 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.工程概況

京張高鐵是世界上第一條設(shè)計(jì)時(shí)速350km有砟軌道高速鐵路，也是世界上第一條設(shè)計(jì)時(shí)速350km的高寒、大風(fēng)沙高速鐵路。京張高鐵位于北京市西北、河北省北部境內(nèi)，東起北京市，途經(jīng)北京市海淀、昌平兩區(qū)和延慶縣，由延慶縣康莊鎮(zhèn)入河北省境內(nèi)，跨官?gòu)d水庫(kù)，經(jīng)懷來(lái)縣、下花園區(qū)、宣化區(qū)，西迄張家口市，呈東西向溝通兩市。

京張高鐵為2022年冬奧會(huì)重要的交通樞紐，是連接北京和張家口的重要通道。京張高鐵對(duì)兩地經(jīng)濟(jì)發(fā)展和文化交流具有重要意義，極大地方便了兩地旅客出行，讓兩地資源互補(bǔ)，同時(shí)京張高鐵也將在擴(kuò)大內(nèi)需、增加就業(yè)和改善人民生活等方面發(fā)揮重要作用。

本段橋位位于河北省懷來(lái)縣土木村和官?gòu)d水庫(kù)之間，橋位處，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，橋址區(qū)以村莊及耕地為主。既有京包線在此處為單線非電氣化線路，與本線斜交，由于既有京包線與本線夾角較小，為保證運(yùn)營(yíng)安全，施工中對(duì)既有京包線進(jìn)行局部改建，改建京包線與本線夾角12度，采用32m簡(jiǎn)支梁（下部結(jié)構(gòu)為框架墩）形式跨越。

2.框架墩平面布置

既有京包線與本線夾角太小，需對(duì)既有京包線進(jìn)行改建。改建京包線為單線，限界寬度為4.88m，本線與改建京包線夾角12°。由于夾角較小，如采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案，至少需要主跨為100m的連續(xù)梁才能跨越改建京包線。主跨100m的連續(xù)梁中支點(diǎn)高7.91m，邊支點(diǎn)高4.91m，平均墩高26m，而采用框架墩跨越，上部為標(biāo)準(zhǔn)32m簡(jiǎn)支梁，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，故不考慮采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案。

本處采用2孔32m簡(jiǎn)支梁跨越改建京包線，橋墩采用框架墩，由于框架墩墩柱緊挨改建京包線，墩柱布置時(shí)不僅要滿足鐵路限界的要求，施工時(shí)應(yīng)與改建京包線同期實(shí)施，避免后期施工干擾，增加施工難度。本段墩柱北側(cè)距離既有京包線較近，施工時(shí)要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，以減少施工對(duì)既有鐵路的影響。

橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35s，屬Ⅱ類場(chǎng)地。最大凍結(jié)深度0.99m?？辈炱陂g地下水埋深為7.20～22.8m，地下水對(duì)混凝土不具侵蝕性。

3.結(jié)構(gòu)尺寸

框架墩計(jì)算跨度12m，凈跨度9.5m，橫梁截面為組合梯形，上頂面寬3.4m，下底面寬3.1m，截面高2.4m；墩柱為矩形截面，墩身頂尺寸為2.5x2.5m，橫橋向墩身坡度為直坡，縱橋向墩身坡度為25：1；承臺(tái)橫橋向5.6m，縱橋向8.9m；墩柱均采用6根1.25m鉆孔灌注樁；31號(hào)墩總高29m，立柱高26.6m，框架墩在距立柱頂12.75m處設(shè)置一道2.0×1.6m橫系梁。本次框架墩計(jì)算以31號(hào)墩為例。

4.主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

4.1設(shè)計(jì)參數(shù)

橫梁縱向預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛鋼絞線、夾片式錨具，其預(yù)應(yīng)力損失按如下參數(shù)計(jì)算：

（1）采用金屬波紋管成孔，鋼束與管道壁之間的摩阻系數(shù)μ取0.26，管道偏差系數(shù)k取0.0025。

（2）錨具的錨口摩阻損失與錨下喇叭口摩阻損失之和按錨外控制應(yīng)力的6%。

（3）錨具回縮量每端取6mm，計(jì)入反向摩阻作用。

（4）其它預(yù)應(yīng)力損失按《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）有關(guān)條文計(jì)算。

（5）錨口及喇叭口損失、管道摩阻系數(shù)、管道偏差系數(shù)應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，若與設(shè)計(jì)值偏差較大，應(yīng)重新檢算調(diào)整。

4.2橫梁變形限值

（1）在ZK豎向靜活載作用下，梁體豎向撓度Δ限值：Δ≤L/1600，L為計(jì)算跨度。

（2）在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體水平撓度應(yīng)≤梁體計(jì)算跨度的1/4000。

（3）以一段3.0m長(zhǎng)的線路為基準(zhǔn)，在ZK活載作用下，一線2根鋼軌的豎向相對(duì)變形量≤1.5mm。

4.3線形控制

（1）位移向上為“+”，向下為“-”。

（2）最大靜活載撓度發(fā)生在32號(hào)墩：- 0.93mm，為跨度的1/12903。

（3）本橫梁不設(shè)置預(yù)拱度。

5.結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1框架墩橫梁計(jì)算

本次框架墩橫梁計(jì)算采用PRBP程序，考慮到本程序系統(tǒng)為平面梁元體系，對(duì)于空間折線布置，只能近似地按平面折線處理，其處理方式為忽略橫橋方向的轉(zhuǎn)折影響?？蚣芏漳Ｐ鸵还卜譃?0個(gè)單元，墩柱系梁一次澆筑。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)階段下，框架墩橫梁計(jì)算可看出，在主力工況下，對(duì)于框架墩橫梁上緣，混凝土最大應(yīng)力為6.66MPa，橫梁上緣混凝土最小應(yīng)力為1.19MPa；橫向下緣混凝土最大應(yīng)力為5.87MPa，橫梁下緣混凝土最小應(yīng)力為0.95MPa。橫梁上下緣最大、最小應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求。

運(yùn)營(yíng)階段下，框架墩橫梁截面抗裂系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

5.2框架墩墩柱計(jì)算

框架墩墩柱采用MIDAS計(jì)算，先將PRBP計(jì)算通過(guò)的預(yù)應(yīng)力鋼束導(dǎo)入MIDAS中，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》荷載組合原則，算出各截面的內(nèi)力，通過(guò)各截面的彎矩、剪力和恒載軸力來(lái)計(jì)算框架墩墩柱的配筋。通過(guò)分析墩柱配筋結(jié)果，可知，墩頂橫橋向截面的配筋由施工階段預(yù)應(yīng)力張拉控制，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)墩頂彎矩達(dá)到10125kN·m，截面橫向需采用雙肢28的鋼筋，鋼筋應(yīng)力和裂縫均滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過(guò)分析，框架墩橫梁和墩柱的相對(duì)剛度直接影響到彎矩的分配，墩柱剛度越大，所受的彎矩就越大，橫梁所受彎矩就越?。环粗罩鶆偠仍叫?，所受的彎矩就越小，橫梁所受彎矩就越大。為減少墩身鋼筋數(shù)量，降低框架墩造價(jià)，對(duì)施工順序進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，將墩系梁與墩柱一次澆筑調(diào)整為預(yù)應(yīng)力張拉完后墩系梁再澆筑，并對(duì)橫梁和墩柱計(jì)算模型進(jìn)行了調(diào)整。

PRBP模型調(diào)整完后，通過(guò)分析框架墩橫梁計(jì)算結(jié)果，可知，在主力工況下，對(duì)于框架墩橫梁上緣，混凝土最大應(yīng)力為6.52MPa，橫梁上緣混凝土最小應(yīng)力為0.76MPa；橫向下緣混凝土最大應(yīng)力為6.35MPa，橫梁下緣混凝土最小應(yīng)力為0.97MPa。橫梁上下緣最大、最小應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求。

MIDAS模型調(diào)整完后，墩柱配筋結(jié)果如表2所示。

從表2中可看出，墩系梁施工順序調(diào)整為后澆，墩頂橫橋向截面的鋼筋由雙肢28的鋼筋降低為雙肢25的鋼筋，施工階段預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)墩頂彎矩由10125kN×m降到了7973kN×m，彎矩降幅達(dá)到21%，效果明顯，應(yīng)力和裂縫均滿足規(guī)范要求。

5.3基礎(chǔ)計(jì)算

承臺(tái)滿足剛性角要求，構(gòu)造配筋即可。樁基根據(jù)MIDAS模型計(jì)算的承臺(tái)底反力進(jìn)行群樁計(jì)算，采用B89群樁計(jì)算程序計(jì)算樁基長(zhǎng)度和配筋。經(jīng)計(jì)算，31號(hào)框架墩左右墩柱均采用6根1.25m樁基，樁長(zhǎng)23m。

6.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前該處框架墩已施工完畢，并完成架梁。在框架墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)找到截面配筋的控制工況，并對(duì)其進(jìn)行深入研究，本工點(diǎn)通過(guò)進(jìn)行調(diào)整施工順序達(dá)到優(yōu)化鋼筋數(shù)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

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