四線鐵路連續(xù)梁空心薄壁剛架主墩設(shè)計

劉 彬

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在我國西南山區(qū)鐵路的橋梁建設(shè)中，受地形地貌、道路立交、行洪通航、車站選址等多重因素的影響，易出現(xiàn)站內(nèi)多線高架橋，一般采用上部結(jié)構(gòu)大跨度連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)為高墩的形式，橋墩及基礎(chǔ)工程過大。本文以玉磨鐵路立新寨四線特大橋為例，對多線高架橋橋墩構(gòu)造及結(jié)構(gòu)分析進行探討。

1 工程背景

玉磨鐵路為雙線時速160 km的客貨共線鐵路。立新寨四線特大橋為站內(nèi)多線鐵路橋梁，橋上為立新越行站。該橋前接立新隧道出口，后接月牙田隧道進口，橋位受立交、地形、水文、道岔控制。

橋位處地形地貌屬構(gòu)造侵蝕低中山地貌，地形起伏較大，地面相對高差約140 m，自然坡度約10°～30°，局部稍陡。坡面植被不發(fā)育，多為灌木及雜草，平緩地段多被墾為耕地，局部為荒地，經(jīng)濟農(nóng)作物主要為芒果樹，施工便道與310省道相通，交通方便。橋區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。主橋跨越底寬為3.5 m的山區(qū)沖溝，根據(jù)形態(tài)勘測法算得水文三要素H1%=1 158.11 m、 Q1%=485.46 m3/s、V1%=4.75 m/s。測區(qū)主要地質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)板巖夾白云巖、變質(zhì)砂巖。

2 總體布置

立新寨四線特大橋中心里程為：D1K 67+407，孔跨布置式樣為：(2×24) m簡支梁+(17×32) m簡支梁+(48+3×80+48) m連續(xù)梁，全長952.80 m。線路在D1K 67+287～D1K 67+527采用(3×80) m雙幅連續(xù)梁跨越V字型深溝，軌面至溝底最大深度為74.5 m，最大墩高為62.5 m。全橋軌面位于-3‰的下坡段，線路平面位于直線上，主墩分別采用雙柱實體鋼筋混凝土墩、雙柱空心薄壁剛架墩和實體墩。其中雙柱空心薄壁墩配普通鋼筋混凝土帽梁，承臺加設(shè)2層墊塊，基礎(chǔ)采用鉆孔摩擦樁，總布置圖，如圖1所示。

圖1 立新寨四線特大橋總布置圖(cm)

3 空心薄壁剛架墩構(gòu)造

在墩高不超過15 m的情況下，四線并行的簡支梁橋墩采用單線+雙線+單線布置時，均采用相應(yīng)通用圖中的實體墩，這樣布置的優(yōu)點在于各線橋墩結(jié)構(gòu)分離，受力明確，設(shè)計采用普通橋墩，可減少設(shè)計和施工成本；當(dāng)墩高大于15 m，橋墩坡度為放坡設(shè)置時，單線與雙線墩的墩底截面會相互重疊。為避免這種情況的發(fā)生，一般可采用雙柱或三柱剛架墩的型式予以避免[8]。但雙柱或三柱剛架墩在受不良地質(zhì)情況影響時，若控制不好不均勻沉降，柱身與帽梁之間混凝土易發(fā)生開裂。

當(dāng)墩高超過40 m時，雙柱式或三柱式實體剛架墩則顯得不經(jīng)濟。因為隨著墩身高度增加，橋墩的穩(wěn)定性、綜合線剛度會隨之降低，為了滿足各項指標(biāo)要求，實體墩尺寸及自重顯著增大，從而造成結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)成本的增加。本橋21號墩墩高達(dá)62.5 m，且上部結(jié)構(gòu)為雙幅雙線大跨連續(xù)梁，通過對實體墩、雙柱實體墩、三柱實體墩、雙柱空心墩、三柱空心進行綜合比選，推薦立新寨四線特大橋20號主墩采用雙柱式實體剛架墩，21號、22號主墩采用雙柱式空心薄壁剛架墩，23號主墩采用了板式實體墩。

21號、22號主墩采用的雙柱式空心薄壁剛架墩，其優(yōu)點在于自重輕、剛度大、穩(wěn)定性強、檢修方便且施工技術(shù)成熟[5]。帽梁采用厚度為5.0 m的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱身采用分段的普通鋼筋混凝土空心結(jié)構(gòu)，并在柱身的實體段設(shè)置變截面實體橫系梁，以提高墩柱橫向穩(wěn)定性?？紤]到空心墩檢查需要，在柱身順橋向的側(cè)面設(shè)置進人洞，并在柱身實體段設(shè)置豎向的過人孔，以方便檢修人員能進入不同分段的空心段內(nèi)。21號和22號墩均位于橫坡較陡的山坡上，為最大限度減少基坑開挖對坡面的破壞，采用不等高雙柱及分離式樁基礎(chǔ)的形式。由于橫橋向為柱間距13.0 m的雙柱，橫向剛度較縱向易控制，因此，柱身僅在縱向設(shè)置40∶1放坡，橫橋向采用1∶0直坡。22號墩墩高雖低于21號墩，但固定支座設(shè)置于該墩，受(48+3×80+48)m連續(xù)梁全聯(lián)制動力影響，22號墩縱向墩頸尺寸比21號墩略大。為統(tǒng)一全橋樁徑、節(jié)約投資、方便施工，通過對直徑1.5 m與1.8 m的樁基礎(chǔ)進行分析比較，最終選用直徑為1.5 m的群樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

雙柱式剛架墩為超靜定結(jié)構(gòu)，受力較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)內(nèi)力受外荷載、各構(gòu)件剛度大小、結(jié)構(gòu)邊界條件、溫度變化及混凝土收縮徐變產(chǎn)生的二次內(nèi)力的影響[7]，計算時簡化為平面桿系結(jié)構(gòu)。本橋21號主墩設(shè)置活動支座，不受列車制動力影響，其橫向設(shè)計是該墩的關(guān)鍵。本橋22號固定主墩，雖構(gòu)造與21號墩大體一致，但為滿足無縫線路軌道結(jié)構(gòu)的變形要求，縱向設(shè)計是該墩的關(guān)鍵[1-4]。

4.1 單墩建模計算

采用MIDAD CIVLE軟件分別建立21號和22號橋墩模型，帽梁、墩柱、橫系梁均用梁單元模擬，樁基礎(chǔ)采用與承臺連接節(jié)點6個方向的實際剛度模擬，墩柱混凝土彈性模量E采用0.8Ec(Ec為混凝土的受壓彈性模量)。

單墩MIDAS模型中柱身按偏心受壓構(gòu)件檢算了X與Y方向的強度、穩(wěn)定性、裂縫寬度、墩頂位移、綜合線剛度等。帽梁與橫系梁均按普通鋼筋混凝土純彎構(gòu)件檢算了抗彎強度、抗剪強度、裂縫寬度等。根據(jù)GB 50111-2016《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，對墩柱進行了延性簡算，結(jié)果表明在罕遇地震工況下，墩柱的μ值滿足不大于4.8的要求，地震工況不控制設(shè)計。

4.1.1 21號活動主墩橫向受力分析

根據(jù)活載作用情況，橋墩設(shè)計計算了主力、主+附和主+地震的荷載組合共7種工況，其中體系溫度變化按整體升降溫20℃考慮。

(1)主力組合

組合一：恒載+到發(fā)線1線偏載

組合二：恒載+到發(fā)線1線偏載+正線1線偏載

組合三：恒載+到發(fā)線1線偏載+正線2線活載

組合四：恒載+到發(fā)線2線活載+正線2線活載

組合五：恒載+8股道的伸縮力或撓曲力(取較大者)

(2)附加力組合

組合六：各主力組合+支座摩阻力+風(fēng)力+整體升降溫20℃

(3)地震力組合

組合七：恒載+2線活載+多遇地震荷載

各工況下21號墩柱偏壓計算結(jié)果，如表1所示。

表1 21號墩柱偏壓計算結(jié)果表

在各工況計算中，通過對比帽梁的正、負(fù)彎矩值和橫向位移來確定最佳的橫向柱間距，結(jié)果表明，柱間距13.0 m時，帽梁最大正彎矩為6.46×104kN·m，最大負(fù)彎矩為8.12×104kN·m，墩頂橫向位移值為1.346 cm，滿足帽梁上下緣配筋、梁端水平折角及連續(xù)梁橫橋向位移的要求。根據(jù)帽梁內(nèi)力包絡(luò)圖配置鋼筋，上緣支點及下緣跨中處均配φ32 HRB400主筋(3根1束)，箍筋間距10 cm，并在支點剪力較大處設(shè)置抗剪斜腹筋。

墩柱受到列車橫向搖擺力、風(fēng)力、溫度力及收縮徐變的影響，在橫橋向，墩柱控制截面一般在墩柱與帽梁、橫系梁及基礎(chǔ)的連接處，根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖對墩柱進行了運營階段的結(jié)構(gòu)強度及裂縫等檢算。根據(jù)以往經(jīng)驗，一般在柱高超過15 m時應(yīng)設(shè)置橫系梁，本橋21號墩左柱高54.5 m，右柱高57.5 m，為提高墩柱的橫向剛度及墩柱穩(wěn)定性，在距帽梁底18 m、37 m處分別設(shè)置2道橫系梁。

4.1.2 22號固定主墩縱向受力分析

22號墩與21號墩構(gòu)造形式一致，也采用了雙柱式空心薄壁剛架墩，左柱高為31 m，右柱高為28 m。該墩上部為主跨(3×80) m，聯(lián)長337.4 m的雙幅連續(xù)梁，墩頂設(shè)置了雙幅連續(xù)梁的固定支座，墩頂承受四線豎向活載，同時全聯(lián)連續(xù)梁2線制動產(chǎn)生的制動力均由固定支座承擔(dān)。經(jīng)計算，為滿足全聯(lián)連續(xù)梁制動產(chǎn)生的縱向力，橋墩加強了縱向尺寸的設(shè)計，墩徑縱向尺寸調(diào)整為6.50 m，比21號主墩寬0.5 m。橋墩計算共考慮7種工況。

(1)主力組合：同21號墩

(2)附加力組合：各主力組合+全聯(lián)連續(xù)梁制動力+風(fēng)力+整體升降溫20 ℃

(3)地震力組合：同21號墩

在22號墩縱向剛度設(shè)計中，需重點考慮連續(xù)梁上軌道力對剛架墩的影響。在鋪設(shè)無縫線路的橋梁上，因梁部結(jié)構(gòu)與軌道的相互作用而產(chǎn)生的“長鋼軌縱向水平力”往往控制橋墩的縱向變形，必要時需在軌道上設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器。一般主跨不大于120 m時可不設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器[6]，基于此本橋未設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器。

本橋墩所受的鋼軌力如表2所示。根據(jù)TB 10002-2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》表4.3.13，考慮了最不利工況為恒載+雙線活載+雙線制動力+4股道鋼軌伸縮力+活動墩傳遞的摩阻力+溫度力。經(jīng)計算，控制截面墩底空心交界面縱向彎矩為1.511 29×105kN·m，軸力為5.995 1×104kN，配置φ32 mm的HRB400鋼筋60根(2根1束)。混凝土最大壓應(yīng)力σh=8.8 MPa,受拉鋼筋最大應(yīng)力σg=126.3 MPa，墩頂縱向位移dy=2.312 cm，橋墩混凝土壓應(yīng)力σc=3.438 MPa，均滿足規(guī)范要求。

表2 22號墩墩頂軌道力

4.2 全橋建模計算

建立主跨(48+3×80+48)m全橋模型，主要對連續(xù)梁主跨部分的橫橋向自振頻率進行檢算分析。采用Midas軟件進行建模，各構(gòu)件采用空間單元模擬。預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁箱梁的剛度與質(zhì)量集中到主梁1/2梁高處；橋墩、承臺采用梁單元進行模擬，樁基礎(chǔ)剛度的影響通過承臺底節(jié)點彈性支承中3個方向的水平剛度與3個方向的轉(zhuǎn)動剛度進行模擬，梁和墩之間的聯(lián)結(jié)根據(jù)實際支座類型采用主從關(guān)系處理，幾何模型如圖2所示，二期恒載取166.7 kN/m，作為均布質(zhì)量加載到梁體單元中，通過344個單元的特征值分析模型，得出在模態(tài)2工況下，主振型在橫橋Y方向的自振頻率f=0.723 Hz，周期T=1.383 s，滿足最大自振周期允許值[T]=0.25×SQRT(H)=1.976 s(H取全橋最高墩高62.5 m)的要求。

圖2 MIDAS幾何模型

5 結(jié)束語

(1)山區(qū)四線鐵路連續(xù)梁高墩采用雙柱薄壁空心剛架墩是可行、合理的。

(2)列車活載在連續(xù)梁上產(chǎn)生的制動力是控制立柱構(gòu)造尺寸的主要因素。

(3)合理選擇墩型、構(gòu)造尺寸以及適當(dāng)提高固定墩縱向線剛度值，對車站渡線范圍的梁部與軌道協(xié)調(diào)受力起重要作用。