客貨共線鐵路40 m跨度混凝土簡支箱梁橋墩設(shè)計

許見超 陳浩瑞 班新林 蘇永華

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

目前我國鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁常用跨度為24 m 和32 m［1-3］，而對于跨越溝谷、河流的高墩橋梁以及建設(shè)在軟弱沉陷地區(qū)的深基礎(chǔ)橋梁，加大橋梁跨度、減少橋墩及基礎(chǔ)數(shù)量可提高工程經(jīng)濟(jì)性。高速鐵路40 m 跨度預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁已完成科研、設(shè)計和試驗驗證［4-6］，并應(yīng)用于鄭濟(jì)（鄭州—濟(jì)南）高速鐵路黃河特大橋工程［7］?，F(xiàn)階段40 m 跨度簡支箱梁尚未在客貨共線鐵路中應(yīng)用，但隨著艱險山區(qū)和高原地區(qū)客貨共線鐵路的修建，40 m 跨度簡支箱梁對客貨共線鐵路也極具應(yīng)用價值。

為滿足無縫線路受力安全性及穩(wěn)定性，位于無縫線路固定區(qū)的混凝土簡支梁墩臺頂縱向水平線剛度應(yīng)由梁-軌共同作用分析確定。TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》［8］第5.4.3 條規(guī)定，當(dāng)不做梁-軌共同作用分析時墩臺頂縱向水平線剛度不宜小于給定限值。但TB 10002—2017 給出的客貨共線鐵路墩臺頂縱向水平線剛度限值與高速鐵路的相同。該限值是基于高速鐵路ZK 荷載采用鐵建設(shè)函〔2005〕285 號《新建時速200 公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》［9］規(guī)定的道床縱向阻力曲線由梁-軌共同作用分析得到的。TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》［10］修訂了道床縱向阻力曲線，TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》［11］確定了我國客貨共線鐵路設(shè)計荷載應(yīng)采用ZKH 荷載。因此，客貨共線鐵路橋梁墩臺頂縱向水平線剛度限值需要相應(yīng)更新。鑒于此，陳浩瑞等［12］依據(jù)TB 10015—2012 的最新有砟軌道縱向阻力曲線，基于ZKH荷載進(jìn)行梁-軌相互作用分析，給出了20～48 m跨度簡支梁墩頂縱向水平線剛度限值建議。

本文分別基于TB 10002—2017 規(guī)定的和陳浩瑞等［12］建議的墩頂縱向水平線剛度限值，對客貨共線鐵路40 m 跨度雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋橋墩進(jìn)行設(shè)計，明確橋墩構(gòu)造尺寸和配筋的控制條件，為40 m 跨度混凝土簡支箱梁在客貨共線鐵路的應(yīng)用提供參考。

1 設(shè)計依據(jù)

1）TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》［8］，簡稱《橋規(guī)》；

2）TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［13］，簡稱《混規(guī)》；

3）GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（2009年版）［14］，簡稱《抗規(guī)》；

4）TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》［10］，簡稱《無縫線規(guī)》；

5）TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［15］，簡稱《地基規(guī)》；

6）TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》［11］，簡稱《荷載圖式》。

2 適用范圍

1）梁型：時速350 km 高速鐵路預(yù)制無砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁（雙線）。

2）跨度組合：（40+40）m。

3）列車荷載：ZKH荷載。

4）支座：鐵路橋梁球型支座TJQZ-8360，單個支座豎向承載力6 000 kN。

5）列車速度：旅客列車200 km/h；貨車120 km/h（轉(zhuǎn)8A貨車80 km/h）。

6）曲線半徑R：R≥2 800 m。

7）線間距S：4.4 m ≤S≤5.1m。

8）環(huán)境類別：碳化環(huán)境T2 級（鋼筋保護(hù)層厚度取40 mm）。

9）抗震設(shè)防烈度：7度、8度。

10）基礎(chǔ)類型：明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。

3 設(shè)計荷載

荷載組合工況如表1所示。

表1 荷載組合工況

1）恒載：包括梁重和二期恒載。

2）設(shè)計活載：最不利活載布置見表1。

3）制動牽引力：按《無縫線規(guī)》附錄F采用梁-軌相互作用模型計算。

4）無縫線路縱向力：包括伸縮力、撓曲力、斷軌力，按《無縫線規(guī)》附錄F 采用梁-軌相互作用模型計算。

5）離心力：按《橋規(guī)》第4.3.10條計算。

6）搖擺力：按《橋規(guī)》第4.3.12條計算。

7）風(fēng)荷載：按《橋規(guī)》第4.4.1 條標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計風(fēng)壓強(qiáng)度計算。橋上有車時，風(fēng)荷載強(qiáng)度W=K1K2× 800 Pa，且W≤1250 Pa；橋上無車時，W=K1K2× 1 400 Pa。其中，K1為橋墩風(fēng)載體形系數(shù)，K2為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

8）地震力：按《抗規(guī)》計算。地震加速度Ag=0.10g，0.15g，0.20g，結(jié)構(gòu)自振周期Tg=0.35，0.45，0.55 s。

4 設(shè)計原則

4.1 建筑材料

1）混凝土：支撐墊石采用C50鋼筋混凝土；頂帽采用C35鋼筋混凝土；托盤及墩身采用C35混凝土（配置護(hù)面鋼筋）。

2）鋼筋：Ag≤0.15g時墩身主筋采用HRB400 級鋼筋；0.15g ＜Ag≤0.20g時墩身主筋選用HRB500 級鋼筋。

3）材料容許應(yīng)力按《混規(guī)》選取。

4.2 橋墩構(gòu)造

采用圓端形實體橋墩。

1）墩高H：3 m ≤H≤20 m。墩高間隔取為1 m。分3 m ≤H≤14 m 和15 m ≤H≤20 m兩檔。

2）支承墊石和頂帽尺寸：按《橋規(guī)》第5.4.11條設(shè)計，支座和支撐墊石組合高度按0.55 m設(shè)計。

3）托盤及墩頸：按圓端形托盤進(jìn)行設(shè)計。

4）墩身截面：3 m ≤H≤14 m 時采用直坡等截面；15 m ≤H≤20 m時采用變截面，坡率為45∶1。

4.3 檢算內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

1）墩身整體縱向穩(wěn)定性：滿足《混規(guī)》第5.2.2 條要求。

2）墩身截面合力偏心距e：滿足《混規(guī)》第5.2.1條要求。①主力工況：e≤0.5Ss；②主力+附加力工況：e≤0.6Ss；③主力+特殊荷載（地震力除外）工況：e≤0.7Ss。其中Ss為沿截面重心與合力作用點連線方向至截面外包輪廓線交點的距離。

3）墩身強(qiáng)度：滿足《混規(guī)》第5.2.3條要求。

4）墩頂縱向水平線剛度

根據(jù)《橋規(guī)》第5.4.3 條，墩頂縱向水平線剛度限值K=550 kN/cm。陳浩瑞等［12］依據(jù)《無縫線規(guī)》的最新有砟軌道縱向阻力曲線，基于ZKH 荷載進(jìn)行梁-軌相互作用分析，建議墩頂縱向水平線剛度限值取K=1 200 kN/cm。分別按這2個限值進(jìn)行檢算。

5）墩頂縱向水平位移

墩頂縱向水平位移由兩部分組成：荷載作用下墩身產(chǎn)生的彈性水平位移、基礎(chǔ)和地基土壤彈性變形引起的水平位移。橋墩墊石頂?shù)膹椥钥v向水平位移須滿足《橋規(guī)》第5.4.4 條要求，即。其中：ΔZ為墩頂縱向水平位移，mm；L為橋梁跨度，m。

6）墩頂橫向水平位移

滿足《橋規(guī)》第5.4.5 條要求。對于時速200 km的線路，由墩頂橫向水平位移差引起的相鄰橋墩軸線間的水平折角不得超過1‰。對于等跨簡支梁，橋墩墩頂橫向位移限值滿足2ΔH/L≤1‰，其中ΔH為墩頂橫向水平位移，m。

7）抗震驗算

按《抗規(guī)》進(jìn)行抗震檢算，地震力按附錄E 計算。明挖基礎(chǔ)（Tg=0.35 s）按墩底固結(jié)不計地基變形；樁基礎(chǔ)（Tg=0.45，0.55 s）計入地基變形的影響。橋墩樁基按8 m柱樁計算；轉(zhuǎn)動柔度δ22按《地基規(guī)》計算；樁周土按角礫土，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值取50 MPa/m2。

5 橋墩設(shè)計

設(shè)計步驟為：①基于墩頂縱向水平線剛度限值初步設(shè)計橋墩墩身尺寸，墩帽尺寸則根據(jù)支座布置、檢修和更換要求進(jìn)行設(shè)計；②進(jìn)行各荷載組合工況（參見表1）下的受力檢算。

5.1 橋墩構(gòu)造尺寸初步設(shè)計

墩高3～14 m 和15～20 m 系列橋墩的控制墩高分別為14，20 m。根據(jù)圓端形實體橋墩通用圖設(shè)計調(diào)研結(jié)果，控制墩高下，考慮地基變形時的墩頂縱向水平線剛度K與墩底固結(jié)時的墩頂縱向水平線剛度K固的比值α在24%～37%。分別按K=550，1 200 kN/cm進(jìn)行初步設(shè)計，橋墩構(gòu)造尺寸見表2。其中按方案1設(shè)計的橋墩構(gòu)造如圖1所示。

表2 初步設(shè)計的橋墩構(gòu)造尺寸

5.2 橋墩檢算

分別對按K=550，1 200 kN/cm 設(shè)計的不同高度的橋墩進(jìn)行檢算。根據(jù)《混規(guī)》，在主力、主力+附加力、主力+斷軌力工況作用下，按混凝土偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行整體縱向穩(wěn)定性、截面合力偏心（e/Ss）、混凝土應(yīng)力檢算，并檢算墩頂位移。結(jié)果顯示，整體縱向穩(wěn)定性指標(biāo)均顯著富余，各墩高下算得的各指標(biāo)最大值見表3、表4。

圖1 方案1橋墩構(gòu)造示意

表3 橋墩受力檢算結(jié)果

表4 墩頂位移檢算結(jié)果

在主力+地震力工況下，按鋼筋和混凝土容許應(yīng)力限值對橋墩進(jìn)行配筋設(shè)計。各墩高下，按K=550，1 200 kN/cm設(shè)計的最大配筋率分別為0.29和0.25。

由檢算結(jié)果可知，基于《橋規(guī)》墩頂縱向水平線剛度限值（550 kN/cm）初步設(shè)計得到的橋墩構(gòu)造尺寸滿足橋墩在主力、主力+附加力、主力+斷軌力工況作用下的墩身受力檢算要求，滿足墩頂位移容許值要求，且在各荷載工況下，相比規(guī)范容許值，截面合力偏心、混凝土壓應(yīng)力以及墩頂縱向、橫向位移均有富余?？拓浌簿€40 m 跨度雙線混凝土簡支箱梁橋墩墩身構(gòu)造尺寸由墩頂縱向水平線剛度限值控制，墩身配筋則由地震力控制。

結(jié)合表2 可知，K=1 200 kN/cm 時：①墩身尺寸有所增大；②在主力、主力+附加力、主力+斷軌力工況作用下，截面合力最大偏心和混凝土最大壓應(yīng)力均有所減??；③墩頂位移減小；④在主力+地震力工況下，墩身截面最大配筋率減小。

以H=14 m 墩為例，按K=550，1 200 kN/cm 進(jìn)行設(shè)計時，橋墩混凝土用量分別為205，242 m3；當(dāng)Ag=0.2g且Tg=0.55 s 時，鋼筋用量分別為4.48，4.65 t。增大墩頂縱向水平線剛度限值后，混凝土和鋼筋的用量分別增加18.0%和3.8%。

可見，更大的墩頂縱向水平線剛度限值對應(yīng)著更大的材料用量。在墩身尺寸設(shè)計已為墩頂縱向水平線剛度限值控制的情況下，僅通過增加墩身尺寸來滿足更大的墩頂縱向水平線剛度限值要求的方案經(jīng)濟(jì)性較差。建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計，如專門增設(shè)制動墩等。

6 結(jié)論

本文分別基于《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的墩頂縱向水平線剛度限值K=550 kN/cm 和陳浩瑞等［12］建議的K=1 200 kN/cm，對客貨共線鐵路40 m 跨度雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋墩進(jìn)行設(shè)計。結(jié)論如下：

1）按K=550 kN/cm 初步設(shè)計得到的橋墩構(gòu)造尺寸滿足橋墩在主力、主力+附加力、主力+斷軌力工況作用下的墩身受力檢算要求，滿足墩頂位移容許值要求。

2）橋墩構(gòu)造尺寸均由墩頂縱向水平線剛度限值控制，墩身配筋則由地震力控制。

3）按K=1 200 kN/cm 設(shè)計時，在各工況作用下截面合力偏心、混凝土壓應(yīng)力、墩頂位移均有所減小，但橋墩構(gòu)造尺寸增大，混凝土、鋼筋用量增加。僅通過增加墩身尺寸來滿足更大的墩頂縱向水平線剛度限值要求的方案經(jīng)濟(jì)性較差。