新建和若鐵路裝配式橋墩應(yīng)用研究

李 帥

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

引言

預(yù)制裝配技術(shù)具有節(jié)約模板、占用場地少、施工速度快、施工安全、干擾小、現(xiàn)場澆筑混凝土工作量少、構(gòu)件質(zhì)量易于保證、建造過程綠色環(huán)保、高效低碳、橋梁全壽命周期成本低等優(yōu)點[1-7]。裝配式橋墩在我國發(fā)展起步較晚，但近些年來，在跨海大橋[8-10]、市政道路[11]、軌道交通[12]等項目中均有應(yīng)用。

目前，我國鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)已較多使用預(yù)制架設(shè)技術(shù)，大大提高了施工效率和工程質(zhì)量，但下部結(jié)構(gòu)建造仍以人工綁扎鋼筋、現(xiàn)場澆筑混凝土為主[13-14]，制約著鐵路橋梁工業(yè)化、智能化建造水平的提升，開展鐵路預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)研究勢在必行[15]。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建和田至若羌鐵路線路全長825.5 km，橋梁全長84 km，占線路總長的10.2%。其中，預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁占比95%以上。

全線橋梁墩高較低，墩高≤12 m的橋墩約占70%，墩高≤10 m以下橋墩共1 187個，墩高10～12 m橋墩共247個，墩高12～15 m橋墩共666個。

1.2 線路標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級：Ⅰ級。

正線數(shù)目：單線。

活載：ZKH活載。

設(shè)計速度：160 km/h。

最小曲線半徑：1 600 m。

地震烈度：地震動峰值加速度值為0.05g～0.15g，反應(yīng)譜特征周期為0.40～0.45 s。

1.3 線路特點

本線位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，降雨量小，蒸發(fā)量大，屬于極度干旱地區(qū)。惡劣的天氣和特殊的環(huán)境給橋梁現(xiàn)場施工帶來困難，養(yǎng)護(hù)條件差，工程質(zhì)量不易保證。

預(yù)制裝配式橋墩可較好地克服沙漠地區(qū)混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)條件難的問題，因此，擬在和若鐵路開展裝配式橋墩應(yīng)用研究。

2 結(jié)構(gòu)形式方案比選

2.1 結(jié)構(gòu)體系

以15 m墩高為例，對比分析單柱式、雙柱式橋墩兩種結(jié)構(gòu)體系。

綜合考慮樁基承載能力、地震力、剛度、承臺質(zhì)量、樁基長度等因素，經(jīng)試算對比，兩種方案均采用8根φ0.8 m的樁基布置形式，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 橋墩結(jié)構(gòu)尺寸(單位：cm)

兩種方案混凝土量、墩身節(jié)段數(shù)量、吊裝質(zhì)量如表1所示。

表1 單柱墩和雙柱墩方案對比

由表1可以看出，兩種方案各部位混凝土用量接近，但由于墩身分段、連接方式的不同，造成施工難易程度不同。雙柱墩方案墩身整體吊裝，避免了墩身節(jié)段之間的連接，該方案能更好地滿足輕型化、易裝配設(shè)計理念。因此，推薦采用雙柱式橋墩方案。

2.2 墩身截面形式

空心墩、實體墩是常用的橋梁墩型，其優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 空心墩、實體墩優(yōu)缺點對比

結(jié)合兩者的優(yōu)缺點，考慮節(jié)省吊裝設(shè)備，工廠預(yù)制可采用離心工藝來提高空心墩墩身混凝土質(zhì)量，故推薦采用空心墩方案。

常用的墩身截面有圓形和方形截面[16]，在直徑與邊長相等的情況下，圓形截面圬工量小，且方形截面需倒角，增加了工廠制造難度，故推薦采用圓形截面。

綜上，本線裝配式橋墩推薦采用圓形雙柱式空心橋墩方案。

3 空心墩實體段

3.1 墩底實體段

建立Midas實體單元模型，對比分析3種墩底實體段情況：不設(shè)置實體段、實體段高1.0 m和1.5 m，在主力和主力+附加力作用下的應(yīng)力如表3所示。

表3 不同實體段高度橋墩應(yīng)力

由表3可以看出：在主力作用下，墩身受力基本相同；在主力+附加力組合作用下，隨著實體段高度的增加，墩底豎向拉應(yīng)力逐漸增大。

主力+附加力作用下墩底應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 主力+附加力作用下墩底應(yīng)力云圖

此外，墩底設(shè)實體段，主力作用下使橋墩應(yīng)力幅度減小，應(yīng)力均勻性有所提高。

3.2 墩頂實體段

采用Midas實體單元模型對比3種墩頂實體段情況：不設(shè)實體段、實體段高0.5 m和1 m。主力+附加力作用下墩頂應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 主力+附加力作用下墩頂應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，隨著墩頂實體段高度的增加，墩頂應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力趨于均勻。但增加實體段，會使蓋梁跨中拉應(yīng)力增大，實體段高度對蓋梁應(yīng)力影響較小。蓋梁應(yīng)力如表4和圖4所示。

表4 不同實體段高度蓋梁應(yīng)力

綜上所述，裝配式橋墩墩底設(shè)置實體段，墩頂不設(shè)實體段。

4 構(gòu)件連接方式

節(jié)段拼裝橋墩因構(gòu)造方式不同，其力學(xué)特征和常規(guī)現(xiàn)澆橋墩存在差異。按照接縫構(gòu)造特點分類，常用的拼裝接頭形式有濕接縫連接、灌漿套筒連接、后張預(yù)應(yīng)力連接[17]，其優(yōu)缺點如表5所示[18-19]。

表5 常用接縫形式比較分析

經(jīng)綜合對比各種連接方式的優(yōu)缺點，采用后張預(yù)應(yīng)力淺槽連接[20]：蓋梁、墩身及承臺通過預(yù)應(yīng)力鋼束連接，錨固端預(yù)埋在承臺內(nèi)，橋墩安裝定位后，于蓋梁頂張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；承臺在施工過程中，與墩身處預(yù)留深15 cm的淺槽，鋼束張拉完畢后，淺槽內(nèi)灌注微膨脹混凝土。

鋼束平面、立面布置如圖5、圖6所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束平面布置

圖6 預(yù)應(yīng)力鋼束立面布置

5 靜力分析

5.1 剛度

為了滿足列車行車安全性和乘車舒適度的需要，鐵路工程對橋墩剛度有較高要求。本項目裝配式橋墩線剛度如表6所示。

表6 裝配式橋墩線剛度

由表6可知：預(yù)制裝配式橋墩由于結(jié)構(gòu)尺寸減小，與現(xiàn)行橋墩部頒參考圖相比，剛度略小，但也足以滿足規(guī)范要求。

5.2 變形

采用Midas有限元軟件，針對本項目裝配式橋墩，建立線單元模型計算常規(guī)荷載作用下水平位移，建立實體單元模型計算溫度力作用下水平位移。

縱向位移考慮2種荷載工況，不同墩高墩頂縱向位移如表7所示。

表7 墩頂縱向位移

橫向位移考慮以下兩種工況。

組合工況一：恒載+豎向靜活載+離心力+橫向搖擺力+風(fēng)荷載；

組合工況二：恒載+豎向靜活載+離心力+橫向搖擺力+0.4風(fēng)荷載+0.5溫差。

不同墩高墩頂橫向位移如表8所示。

表8 墩頂橫向位移

由表7和表8可以看出，橋墩縱、橫向變形滿足規(guī)范要求。

5.3 溫度應(yīng)力

在寒潮溫差、升溫加太陽輻射溫差作用下，橋墩墩身應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 升溫溫差+太陽輻射作用下應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8 寒潮溫差作用下應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖7、圖8可知，升溫加太陽輻射溫差作用下，外側(cè)混凝土膨脹受到內(nèi)側(cè)混凝土的制約而受壓，內(nèi)側(cè)混凝土受拉。寒潮溫差作用下則相反，外側(cè)混凝土受拉，內(nèi)側(cè)混凝土受壓。

不同墩高對應(yīng)的橋墩應(yīng)力如表9所示。

表9 橋墩溫度應(yīng)力

5.4 預(yù)加力

與部頒參考圖《通橋(2017)4103》相比，預(yù)制裝配橋墩尺寸及剛度減小，為保證其運營中的剛度，應(yīng)避免橋墩截面受拉而導(dǎo)致混凝土退化，致使剛度進(jìn)一步減小，需使橋墩受力為小偏心受壓，保證全截面受壓。

在運營荷載作用下，橋墩屬于大偏心受拉，因此需張拉預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力，使橋墩滿足小偏心受壓的要求。橋墩所需預(yù)加力是常規(guī)力和溫度力之和，橋墩預(yù)應(yīng)力鋼束配置如表10所示。

表10 橋墩預(yù)應(yīng)力配置

5.5 墩身應(yīng)力

主力+預(yù)加力、主力+預(yù)加力+附加力作用下，橋墩混凝土應(yīng)力如表11、表12所示。

表11 主力+預(yù)加力作用下橋墩應(yīng)力

表12 主力+預(yù)加力+附加力作用下橋墩應(yīng)力

由表11、表12可知，在主力+預(yù)加力、主力+預(yù)加力+附加力作用下，橋墩混凝土應(yīng)力均滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求(橋墩采用C50混凝土)。

5.6 穩(wěn)定性

建立Midas屈曲計算模型，在主力+橫向附加力作用下，橋墩一階屈曲形態(tài)為縱向彎曲，屈曲安全系數(shù)為39.6，二階屈曲模態(tài)為橫向偏移，屈曲安全系數(shù)為71，屈曲模態(tài)如圖9所示。

圖9 屈曲模態(tài)

5.7 抗震分析

多遇地震作用下，橋墩墩柱地震力及檢算如表13所示。

表13 地震作用下內(nèi)力檢算

由表13可知，多遇地震作用下，橋墩處于彈性小偏心受壓狀態(tài)，全截面受壓。

6 動力性能分析

6.1 車-橋耦合振動分析

通過基于多體系統(tǒng)動力學(xué)和有限元結(jié)合的聯(lián)合仿真技術(shù)對預(yù)制裝配式橋墩簡支梁橋進(jìn)行了車-橋耦合振動分析，得出如下結(jié)論。

(1)當(dāng)CRH2列車以120～160 km/h(設(shè)計速度)、180～200 km/h(檢算速度)通過橋梁時，橋梁的動力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，列車豎、橫向振動加速度均滿足限值要求，列車的乘坐舒適性能達(dá)到規(guī)定的“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

(2)當(dāng)C70貨車以80～100 km/h(設(shè)計速度)、110～120 km/h(檢算速度)通過橋梁時，橋梁的動力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，列車橫、豎向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性能滿足要求，列車的運行平穩(wěn)性達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)以上。

6.2 風(fēng)-車-橋耦合振動分析

通過對預(yù)制裝配式橋墩簡支梁橋進(jìn)行風(fēng)-車-橋耦合振動分析，得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)橋面平均風(fēng)速不超過25 m/s時，CRH2列車以120～160 km/h(設(shè)計速度)、180～200 km/h(檢算速度)通過橋梁時，橋梁及列車的動力響應(yīng)各項指標(biāo)均滿足要求，可正常行車。

(2)當(dāng)橋面平均風(fēng)速達(dá)30 m/s時，CRH2列車以120～160 km/h通過橋梁時，橋梁及列車的動力響應(yīng)各項指標(biāo)均滿足要求；以180～200 km/h通過橋梁時，橋梁的動力響應(yīng)均滿足各項指標(biāo)，列車的輪重減載率不滿足要求，若將160 km/h作為檢算車速，按照1.2倍外延系數(shù)反算，則安全運營速度約為130 km/h。

(3)當(dāng)橋面平均風(fēng)速不超過25 m/s時，C70貨車以80～120 km/h通過橋梁時，橋梁及列車的動力響應(yīng)各項指標(biāo)均滿足要求，可正常行車；當(dāng)橋面平均風(fēng)速達(dá)30 m/s時，C70貨車以120 km/h通過橋梁時，列車的運行平穩(wěn)性未能夠達(dá)到規(guī)定的“合格”標(biāo)準(zhǔn)以上，但考慮到此時的強(qiáng)風(fēng)作用屬于小概率事件，列車的走行性以安全性指標(biāo)為主，列車的乘坐舒適度或運行平穩(wěn)性可不作為強(qiáng)制指標(biāo)，故也可以正常行車。

綜上，列車在強(qiáng)風(fēng)作用時通過該橋的安全運營車速達(dá)到日本及我國相關(guān)規(guī)范對列車遇大風(fēng)行車限速的相關(guān)規(guī)定，表明其具有足夠的剛度。

7 結(jié)語

預(yù)制拼裝技術(shù)是未來鐵路橋梁建造技術(shù)發(fā)展的新方向。裝配式橋墩在和若鐵路極端復(fù)雜的建設(shè)條件下，能夠較好地保證施工速度和施工質(zhì)量，符合低碳環(huán)保的建設(shè)要求，具有獨特的優(yōu)越性。

和若鐵路裝配式橋墩已于2019年開始施工，預(yù)計于2022年6月建成投入使用。隨著裝配式橋墩應(yīng)用于和若鐵路等鐵路工程項目，相關(guān)技術(shù)將不斷發(fā)展完善，我國鐵路橋梁的工業(yè)化水平也將邁上一個新臺階。