鐵路鋼蓋梁混凝土柱組合門(mén)式墩設(shè)計(jì)研究

余 浪 羅 艷

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.成都理工大學(xué)， 成都 610059)

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，城市內(nèi)尤其是鐵路樞紐內(nèi)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)新建鐵路橋梁跨越既有線的情況，此時(shí)采用門(mén)式墩跨越是一種較為安全、穩(wěn)妥的方法。目前，鋼蓋梁混凝土柱組合門(mén)式墩越來(lái)越被廣泛采用，該組合門(mén)式墩的優(yōu)點(diǎn)是鋼蓋梁較輕，可分段工廠制造，運(yùn)到橋位拼接成整體后，在鐵路窗口時(shí)間一次吊裝到位，施工速度快，對(duì)既有鐵路干擾較少，可有效降低施工難度及對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的影響，應(yīng)用前景非常廣泛。但此類(lèi)結(jié)構(gòu)為鋼混組合結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)與普通混凝土門(mén)式墩不同，且研究成果較少[1-9]，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)形式和受力情況進(jìn)行研究。

1 基本模型

某單線鐵路橋梁，設(shè)計(jì)速度200 km/h。梁部采用部頒標(biāo)準(zhǔn)2201系列32 m簡(jiǎn)支T梁，采用鋼蓋梁混凝土柱組合門(mén)式墩下跨越既有鐵路，鋼蓋梁中心跨度21 m，墩柱高9 m，鋼蓋梁尺寸2.5 m×2 m(橫×豎)，墩柱尺寸3.5 m×3 m(橫×豎)，鋼蓋梁采用Q345qD，混凝土標(biāo)號(hào)為C35，梁柱兩端固結(jié)的組合門(mén)式墩構(gòu)造如圖1所示。

圖1 梁柱固結(jié)的組合門(mén)式墩構(gòu)造圖(cm)

采用有限元軟件Midas Civil建立模型，模型選取梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)承臺(tái)底邊界按固結(jié)考慮，墩柱連接按實(shí)際邊界條件考慮。荷載考慮(1)恒載:自重+二恒；(2)活載:ZKH；(3)溫度:整體升溫30 ℃；(4)地震:場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，八度地震反應(yīng)譜(0.2g)。

2 梁柱約束體系

組合門(mén)式墩的鋼蓋梁和混凝土柱之間的約束體系主要有兩端固結(jié)、一鉸一活動(dòng)和一固一活動(dòng)3種方案。

兩端固結(jié)方案的鋼蓋梁構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，梁柱需當(dāng)做整體設(shè)計(jì)。溫度荷載對(duì)門(mén)式墩影響較大，當(dāng)墩高1 m時(shí)，鋼蓋梁角隅處溫度應(yīng)力達(dá)100 MPa。因此，兩端固結(jié)方案不宜在橋墩很矮的情況下采用。

一鉸一活動(dòng)方案構(gòu)造簡(jiǎn)單，梁柱可分開(kāi)設(shè)計(jì)，鋼蓋梁按承受集中力的簡(jiǎn)支鋼箱梁設(shè)計(jì)，混凝土柱按普通橋墩方法設(shè)計(jì)。溫度荷載只會(huì)引起位移變化，無(wú)受力變化，適用于任何墩柱高度。

一固一活動(dòng)方案介于兩者之間，不再進(jìn)一步分析比較，一固一活動(dòng)方案適合橫向地形高差較大，一邊墩高一邊墩很矮的情況。

根據(jù)基本模型計(jì)算兩端固結(jié)方案和一鉸一活動(dòng)方案主力(恒+活)下的應(yīng)力和活載下的撓度情況，結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

由表1可知，與一鉸一活動(dòng)方案相比，兩端固結(jié)方案鋼梁最大應(yīng)力減小35%，混凝土應(yīng)力減小26%，撓度減小60%左右。

綜上所述，梁柱兩端固結(jié)方案最優(yōu)，該方案剛度大，應(yīng)力水平低，用鋼量較省，鐵路尤其是高速鐵路應(yīng)優(yōu)先采用。溫度荷載對(duì)梁柱兩端固結(jié)方案影響較大，因此，混凝土柱不宜過(guò)矮，線路標(biāo)高不宜距離地面太低，以防導(dǎo)致門(mén)式墩設(shè)計(jì)困難。

3 鋼蓋梁跨高比對(duì)門(mén)式墩撓度的影響

引入跨高比K1，對(duì)梁柱兩端固結(jié)的組合門(mén)式墩作進(jìn)一步分析。

K1=L/h

(1)

式中：h——鋼箱高度；

L——鋼箱跨度。

鋼蓋梁一般是剛度控制設(shè)計(jì)，應(yīng)力水平可通過(guò)加大鋼箱板厚度來(lái)滿足要求。根據(jù)基本模型，通過(guò)變化鋼蓋梁鋼箱高度來(lái)調(diào)整跨高比，分析跨高比對(duì)撓度的影響，得出活載作用下?lián)隙扰c跨高比的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 活載下豎向撓度與跨高比的關(guān)系曲線圖

從圖2可以看出，鋼蓋梁最大撓度隨跨高比的減小而減小，并逐步趨于穩(wěn)定，考慮到鋼蓋梁撓度還需與梁部撓度疊加，鋼蓋梁最大撓度宜在毫米級(jí)以內(nèi)，跨高比取值范圍7～10，可有效控制鋼蓋梁最大撓度。列車(chē)時(shí)速越高，跨高比取值應(yīng)越小。

4 混凝土柱高寬比對(duì)門(mén)式墩受力的影響

引入混凝土柱高寬比K2，對(duì)梁柱兩端固結(jié)的組合門(mén)式墩作進(jìn)一步分析。

K2=H/b

(2)

式中：H——混凝土柱高度；

b——混凝土柱受力方向?qū)挾取?/p>

根據(jù)基本模型，通過(guò)變化混凝土柱高度來(lái)調(diào)整高寬比，由于墩頂軸力小，墩底軸力大，墩頂彎矩可能控制墩柱設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

4.1 高寬比對(duì)主力的影響

研究高寬比對(duì)主力的影響，得出主力下的彎矩效應(yīng)與高寬比的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 主力下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

從圖3可以看出，鋼蓋梁和墩頂彎矩?cái)?shù)值變化不大，高寬比的變化對(duì)鋼蓋梁和墩頂影響不大，墩底彎矩均未超過(guò)墩頂彎矩，墩頂彎矩控制設(shè)計(jì)。墩底受高寬比影響較大，高寬比為3時(shí)，墩底彎矩處于最小值，高寬比>2時(shí)，墩底彎矩可維持在較低水平。隨著高寬比增大，鋼蓋梁和墩頂彎矩均緩慢減小。

4.2 高寬比對(duì)溫度荷載的影響

分析高寬比對(duì)溫度荷載的影響，得出溫度荷載下的彎矩效應(yīng)與高寬比的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 溫度荷載下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

從圖4可以看出，鋼蓋梁彎矩?cái)?shù)值變化不大，高寬比的變化對(duì)鋼蓋梁影響不大。溫度對(duì)墩底彎矩影響較大，高寬比較小即橋墩較矮時(shí)，墩頂彎矩較大，相應(yīng)的角隅處及鋼混結(jié)合段受力較大。高寬比>3時(shí)，墩頂彎矩可維持在較低水平，高寬比為1～2時(shí)，墩底彎矩?cái)?shù)值最高，高寬比>3后，彎矩迅速減小。

4.3 高寬比對(duì)地震力的影響

研究高寬比對(duì)地震力的影響，計(jì)算罕遇地震下梁柱彎矩，得出地震力下的彎矩效應(yīng)與高寬比的關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

圖5 橫向罕遇地震力下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

圖6 縱向罕遇地震力下梁柱彎矩與高寬比的關(guān)系曲線圖

從圖5、圖6可以看出，鋼蓋梁及墩頂彎矩?cái)?shù)值較低，且變化不大。隨著高寬比變大，墩頂彎矩在橫向罕遇地震力作用下逐漸加大，縱向罕遇地震力作用下逐漸減小，高寬比<5時(shí)，墩頂彎矩可維持在較低水平。墩底彎矩隨著高寬比的增大而增大。

綜上所述，梁柱兩端固結(jié)組合門(mén)式墩位于非地震區(qū)時(shí)，高寬比宜>3且應(yīng)取高值；位于地震區(qū)時(shí)，高寬比宜在3～5之間且應(yīng)取低值。

5 梁柱固結(jié)組合門(mén)式墩的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

鋼蓋梁角隅和墩柱鋼混連接部位是梁柱兩端固結(jié)組合門(mén)式墩兩個(gè)非常重要的部位，傳遞荷載較大，傳力機(jī)理復(fù)雜且局部應(yīng)力集中。為確保組合門(mén)式墩的安全，參考日本及國(guó)內(nèi)公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，進(jìn)行角隅和墩柱鋼混連接部位的構(gòu)造設(shè)計(jì)。

5.1 角隅部位設(shè)計(jì)

角隅的作用是將鋼蓋梁的荷載順利傳遞到混凝土墩柱上，角隅構(gòu)造為空間矩形體，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力清晰。角隅設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是各板之間的斷開(kāi)處理方式，本文提出兩種斷開(kāi)處理方式：

(1)頂板、腹板和內(nèi)外豎板連續(xù)，底板在角隅內(nèi)豎板左右斷開(kāi)，腹板和內(nèi)豎板均為整板，傳力連續(xù)，底板主要受壓。此種斷開(kāi)方式焊縫數(shù)量少，焊接工作量小。

(2)底板連續(xù)，腹板和內(nèi)豎板在底板上下斷開(kāi)，同時(shí)承受拉力和壓力。此種斷開(kāi)方式焊縫數(shù)量多，焊接工作量大。

綜上所述，底板左右斷開(kāi)的處理方式優(yōu)點(diǎn)明顯，應(yīng)優(yōu)先采用，具體構(gòu)造如圖7所示。

圖7 角隅構(gòu)造圖

角隅構(gòu)造的腹板應(yīng)在內(nèi)豎板處倒圓角，其內(nèi)部六面均設(shè)若干倒角加勁肋，與鋼蓋梁和鋼混柱加勁肋對(duì)應(yīng)，可有效減少局部應(yīng)力。角隅受力復(fù)雜，為確保角隅部位傳力勻順，底板與內(nèi)豎板之間、腹板豎板與頂板之間要求采用融透焊。

5.2 墩柱連接部位設(shè)計(jì)

墩柱連接部位為鋼混結(jié)構(gòu)，多采用構(gòu)造成熟的鋼混梁，但組合門(mén)式墩有其自身特點(diǎn)，不能照搬，需進(jìn)一步研究，本文提出兩種連接構(gòu)造。

5.2.1插入式連接

鋼立柱插入混凝土柱預(yù)埋，預(yù)埋深度參考JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，按照不小于1.5倍鋼立柱長(zhǎng)邊B控制，混凝土柱寬于鋼立柱50 cm左右，預(yù)埋鋼立柱內(nèi)外表面設(shè)置剪力釘，外包的混凝土柱箍筋加強(qiáng)，鋼立柱內(nèi)部灌注混凝土，如圖8所示。

圖8 插入式連接構(gòu)造圖

鋼立柱底部依次設(shè)置承壓板、預(yù)埋鋼板和3層鋼筋網(wǎng)。預(yù)埋鋼板底設(shè)置鋼筋與混凝土柱相連，并用環(huán)氧砂漿找平，鋼蓋梁吊裝到位后，將預(yù)埋鋼板和承壓鋼板對(duì)齊，并用螺栓擰緊，起到臨時(shí)固結(jié)的作用。角隅底板還需設(shè)置灌注孔，用于灌注鋼立柱內(nèi)部混凝土。

5.2.2錨栓式連接

(1)構(gòu)造形式

錨栓式連接構(gòu)造從上至下依次為錨栓支承托座、承壓板、錨栓和預(yù)埋角鋼骨架，如圖9所示。錨栓支承托座設(shè)置在鋼立柱兩側(cè)，在錨栓周?chē)捎萌舾杉觿虐鍋?lái)傳遞錨栓力；承壓板設(shè)置在鋼立柱底部，承壓板鋪設(shè)3層鋼筋網(wǎng)，并用環(huán)氧砂漿找平；錨栓下端預(yù)埋在混凝土柱內(nèi)，上端錨固在錨栓支承托座上，下端設(shè)置若干角鋼形成骨架。

圖9 錨桿式連接構(gòu)造圖

錨栓上端采用雙螺母，擰緊后點(diǎn)焊。為提高外漏錨栓的耐久性，可在防腐后將錨栓螺母和支承托座用混凝土外包密閉。錨栓需后張預(yù)拉力，為了保證預(yù)壓力的有效傳遞，可在澆筑混凝土墩柱前，在螺桿表面涂抹黃油并纏繞玻璃布，以實(shí)現(xiàn)和混凝土之間的無(wú)粘結(jié)連接。

(2)錨栓計(jì)算方法

選取40Cr材質(zhì)、10.9S級(jí)錨栓，按抗拉極限力的35%預(yù)加張拉力。錨栓拉力計(jì)算公式為:

(3)

式中:Nmax——單個(gè)錨栓最大軸力(kN)；

N——最不利工況下立柱鋼混面軸力(kN)；

M——最不利工況下立柱鋼混面彎矩(kN)；

[N]——錨栓預(yù)張拉力(kN)；

n——錨栓總個(gè)數(shù)；

zi——各錨栓到鋼立柱中心距離。

錨栓僅承受拉力，抗剪由鋼混面摩擦力抵抗，計(jì)算公式為:

V≤[V]=0.4([N]-Nmax)

(4)

式中:V——最不利工況下立柱鋼混面剪力(kN)。

按上述公式計(jì)算，承壓板能保證全截面受壓，承壓板下混凝土最大壓應(yīng)力為:

σmax=(N+n[N])/(L×B)×(1+6e/L)≤[σ]

(5)

式中:σmax——承壓板混凝土最大壓應(yīng)力(kPa)；

L——承壓板長(zhǎng)度(m)；

B——承壓板寬度(m)；

e——偏心距，e=M/N；

[σ]——局部承壓容許力(kPa)。

插入式和錨栓式兩種墩柱連接構(gòu)造均有工程實(shí)例。與插入式連接相比，錨栓式連接不需設(shè)置鋼混結(jié)合段，其構(gòu)造簡(jiǎn)潔，受力明確，施工簡(jiǎn)單，用鋼量較省，費(fèi)用較低。因此，墩柱連接部位推薦采用錨栓式連接。

6 結(jié)論

本文對(duì)鐵路鋼蓋梁混凝土柱組合門(mén)式墩的結(jié)構(gòu)形式和受力情況進(jìn)行初步分析，得出如下結(jié)論。

(1)梁柱兩端固結(jié)方案剛度大，應(yīng)力水平低，用鋼量較省，鐵路尤其是高速鐵路應(yīng)優(yōu)先采用。

(2)墩柱兩端固結(jié)組合門(mén)式墩鋼蓋梁的最大撓度隨跨高比的減小而減小，并逐步趨于穩(wěn)定，跨高比取值為7～10時(shí)，可有效控制鋼蓋梁最大撓度。列車(chē)時(shí)速越高，跨高比取值應(yīng)越小。

(3)位于非地震區(qū)時(shí)，墩柱兩端固結(jié)組合門(mén)式墩高寬比宜>3且應(yīng)取高值；位于地震區(qū)時(shí)，高寬比宜在3～5之間且應(yīng)取低值。

(4)角隅部位優(yōu)先采用底板左右斷開(kāi)的處理方式，該斷開(kāi)方式傳力連續(xù)，底板主要受壓，焊縫數(shù)量少，焊接工作量小。

(5)墩柱連接部位推薦采用錨栓式連接，構(gòu)造簡(jiǎn)潔，受力明確，施工簡(jiǎn)單，用鋼量較省，費(fèi)用較低。