高烈度地震區(qū)某高鐵簡(jiǎn)支梁橋圓端形實(shí)體墩設(shè)計(jì)

王 勇

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 橋梁設(shè)計(jì)院，北京 102600)

0 引言

鐵路行業(yè)通用參考圖是根據(jù)國(guó)家鐵路發(fā)展規(guī)劃、綜合考慮全國(guó)各地建設(shè)項(xiàng)目特點(diǎn)而編制的，具有較好的經(jīng)濟(jì)性及較強(qiáng)的包絡(luò)性，能適用于國(guó)內(nèi)大部分鐵路工程項(xiàng)目，為鐵路工程建設(shè)及后續(xù)管養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化提供了極大便利[1]?，F(xiàn)行高速鐵路實(shí)體橋墩通用參考圖包含了Ag≤0.2g、Tg≤0.55 s的橋墩[2]，能滿足大部分高鐵橋梁建設(shè)需要。但是，中國(guó)幅員遼闊，工程場(chǎng)地條件差異大，部分高速鐵路橋梁需穿越Ag>0.2g或Tg>0.55 s的場(chǎng)址，因此，需要編制一套能適用于高烈度地震區(qū)、長(zhǎng)周期的橋墩參考圖[3]。

1 項(xiàng)目概況

某高速鐵路穿銀川—河套地震帶，存在長(zhǎng)大段落走行于Ag=0.3g、Tg≤0.45 s及0.65 s的高烈度地震區(qū)，區(qū)段線路長(zhǎng)93.8 km，其中，橋梁合計(jì)24.07 km(19座)，橋長(zhǎng)占線路長(zhǎng)度的25.7%，Tg≤0.45 s的墩臺(tái)占比約88%，0.45 s

2 設(shè)計(jì)原則

(1)橋墩輪廓外形應(yīng)與現(xiàn)行通用圖相似，以利于本項(xiàng)目同類型橋墩統(tǒng)一協(xié)調(diào)，保證橋梁整體造型美觀。

(2)橋墩高度范圍3 m≤H≤20 m。

(3)分別按Tg為0.45 s及0.65 s 2種情況設(shè)計(jì)，并盡量減少橋墩類型，不同場(chǎng)地特征周期的墩身尺寸宜統(tǒng)一，可通過(guò)不同的配筋方案增強(qiáng)其適應(yīng)性。

(4)墩身承載力需滿足高烈度地震區(qū)的所有工況，但亦需經(jīng)濟(jì)合理。

(5)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成果列出的橋墩總剛度適用值上限，應(yīng)按墩身為素混凝土構(gòu)件計(jì)算，但該值應(yīng)有足夠的富余，以保證多次重復(fù)荷載后，即便墩身混凝土彈性模量降低，橋墩總剛度仍能滿足列車安全運(yùn)行[4]。

(6)設(shè)計(jì)荷載。恒載、活載、風(fēng)荷載及長(zhǎng)鋼軌縱向軌道力等均按現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行[5]；地震力按現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。

(7)荷載組合。按現(xiàn)行高鐵橋墩通用圖的組合執(zhí)行[2]。

3 邊界條件

3.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：高速鐵路。

正線數(shù)目：雙線，線間距4.6 m。

軌道類型：有砟軌道，局部地段采用CRTSI型板式無(wú)砟軌道。

速度目標(biāo)值：250 km/h。

設(shè)計(jì)荷載：ZK活載。

3.2 線路平面條件

直線、曲線，最小曲線半徑R=3 000 m。

3.3 梁型

采用通橋(2016)2229直、曲線有砟及無(wú)砟軌道梁，且含設(shè)、不設(shè)聲屏障2種情況。

結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并參考現(xiàn)行通用圖設(shè)計(jì)成果，本標(biāo)準(zhǔn)墩設(shè)計(jì)直接選用墩頂恒載最大情況時(shí)的梁型，即32 m曲線、聲屏障有砟軌道梁。墩頂恒載為[6-7]N=(G梁重+F一孔梁二期恒載)=7 134 kN。

3.4 支座類型

選用本項(xiàng)目特殊設(shè)計(jì)的、適用于Ag=0.3g的球型鋼支座。

3.5 地質(zhì)條件及基本參數(shù)

本項(xiàng)目Ag=0.3g、Tg=0.45 s地區(qū)的地質(zhì)主要為深厚粉土、硬塑黏性土，場(chǎng)地類別為一區(qū)、Ⅲ類場(chǎng)地；Tg=0.65 s地區(qū)的地質(zhì)主要為深厚濕陷性黃土區(qū)，場(chǎng)地類別為三區(qū)、Ⅲ類場(chǎng)地。

為便于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，計(jì)算時(shí)先假定了模擬的地質(zhì)參數(shù)[8]，見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)墩設(shè)計(jì)時(shí)的地質(zhì)參數(shù)

給定地層參數(shù)，主要是為了便于匹配橋墩總剛度、計(jì)算地震力，以得到合理的墩身尺寸及配筋方案。但該地質(zhì)參數(shù)不唯一，可在相應(yīng)場(chǎng)地類別中任意取值，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的目的是要得到墩身容許承載力和容許總剛度，地層僅為條件之一，通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)樣式，亦可匹配出所需的橋墩總剛度。

3.6 地震信息

設(shè)計(jì)地震Ag=0.3g，場(chǎng)地特征周期Tg=0.45 s、0.65 s。

4 橋墩總剛度上限估算

4.1 總剛度上限的意義

(1)保證鐵路安全的需要。為鐵路橋墩設(shè)定總剛度下限[9]是鐵路橋不同于公路、市政橋的特點(diǎn)之一，只有當(dāng)橋墩擁有一定的剛度，才能保證橋上列車運(yùn)行安全、舒適?；诖?，廣大鐵路橋梁設(shè)計(jì)人員十分關(guān)注橋墩總剛度，避免其低于下限。這在非地震工況控制設(shè)計(jì)時(shí)是合理的，但當(dāng)?shù)卣鹆刂圃O(shè)計(jì)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的橋梁還應(yīng)保證橋墩總剛度不宜過(guò)大，否則會(huì)因過(guò)大的剛度而使橋墩承受超過(guò)其允許承載力的地震力而使結(jié)構(gòu)受損，危及鐵路運(yùn)營(yíng)安全。橋墩總剛度受基礎(chǔ)、墩自身剛度影響，其被允許的下限值較易控制，當(dāng)最小剛度控制設(shè)計(jì)時(shí)，可以增大樁間距、增加樁根數(shù)或加大樁徑；反之，橋墩實(shí)際總剛度往往因基礎(chǔ)承載力的需要而自然很大，極可能因大剛度而產(chǎn)生的較大地震力，超出標(biāo)準(zhǔn)墩的適用范圍。

(2)確定標(biāo)準(zhǔn)橋墩配筋方案的必要條件。震區(qū)鐵路橋下部結(jié)構(gòu)受地震力控制設(shè)計(jì)，抗震是設(shè)計(jì)工作的重中之重，而橋墩所受地震力的大小又與其總剛度正相關(guān)[10]。故設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)墩時(shí)，應(yīng)首先擬定橋墩總剛度上限值，該剛度確定后，橋墩所承受的設(shè)計(jì)地震力即基本確定，然后再由該地震力反算墩身配筋，使橋墩承載力略大于其實(shí)際承受的設(shè)計(jì)地震力即可。在橋梁工點(diǎn)設(shè)計(jì)中，只要橋墩設(shè)計(jì)總剛度不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)給定的限值，該標(biāo)準(zhǔn)墩即可直接利用；否則，橋墩會(huì)因?qū)嶋H受力較大而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)墩不適用。

綜上所述，為了保證鐵路橋梁安全，橋梁工點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，鐵路橋墩除了滿足總剛度下限要求外，還應(yīng)控制其剛度上限，并應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)墩設(shè)計(jì)中明確該上限值，以便于工點(diǎn)設(shè)計(jì)人員引用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參考圖。

4.2 估算的總剛度上限

本標(biāo)準(zhǔn)墩僅為本項(xiàng)目而設(shè)，故其總剛度上限應(yīng)能適應(yīng)本項(xiàng)目相應(yīng)場(chǎng)地下的所有情況[11]。標(biāo)準(zhǔn)橋墩具有通用性，為保證其適用性強(qiáng)、便于設(shè)計(jì)應(yīng)用和施工，不同高度的橋墩，其外輪廓尺寸、截面配筋方案宜一致[12]。故，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)墩時(shí)，關(guān)鍵是確定控制的橋墩即最高橋墩(即墩高H=20 m時(shí))的墩身尺寸及配筋方案。相應(yīng)地，確定總剛度時(shí)，也應(yīng)首先確定最高橋墩的總剛度上限。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)成果，統(tǒng)計(jì)了本線全部Ag=0.3g、Tg=0.45 s和Tg=0.65 s的橋墩，得到了實(shí)際設(shè)計(jì)的最高墩總剛度；標(biāo)準(zhǔn)墩總剛度應(yīng)以統(tǒng)計(jì)得出的剛度為基準(zhǔn)，適當(dāng)留有富余后即可作為剛度上限。統(tǒng)計(jì)H=20 m時(shí)橋墩實(shí)際設(shè)計(jì)總剛度及擬定的上限值見(jiàn)表2。

表2 按實(shí)際工點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的最高橋墩(H=20 m)總剛度及擬定剛度上限值

由表2可知，擬定的最高墩總剛度限值已遠(yuǎn)超剛度下限，不會(huì)發(fā)生因疲勞荷載作用而使橋墩剛度降低至低于下限的情況。

5 橋墩設(shè)計(jì)

5.1 墩身尺寸

在參考現(xiàn)行類似標(biāo)準(zhǔn)橋墩通用圖的基礎(chǔ)上，為了滿足本項(xiàng)目支座安裝尺寸的需要，墊石平面尺寸由常用的縱向長(zhǎng)度×橫向長(zhǎng)度由2.4 m×1.2 m調(diào)整為2.48 m×1.5 m，經(jīng)反復(fù)研究比選，最終確定橋墩尺寸為：墩頂、墩頸縱向長(zhǎng)度×橫向長(zhǎng)度分別為3.2 m×7.8 m、2.3 m×6.0 m，墩身縱橫向均按45∶1放坡。橋墩構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 橋墩構(gòu)造圖(單位：cm)

5.2 墩身配筋

由前述分析可知，當(dāng)墩頂荷載已知，墩身尺寸及最高橋墩總剛度上限確定后，位于特定震區(qū)的橋墩設(shè)計(jì)地震力即基本確定，最后再由該地震力反算墩身配筋即可[13-14]。

經(jīng)多輪試算，本標(biāo)準(zhǔn)墩最高墩豎向主筋配置方案為：當(dāng)Tg=0.45 s時(shí)，墩底截面配置106束雙根一束Ф25鋼筋(HRB400)，其中，單側(cè)圓端側(cè)設(shè)31束Ф25鋼筋，束筋中心距14.8 cm；單側(cè)夾直線段設(shè)22束Ф25鋼筋，束筋中心距15 cm；為節(jié)約投資、充分體現(xiàn)墩身實(shí)際受力需要，自墩底向上8 m段采用雙根一束布筋，再上的墩身采用單根一束布筋。當(dāng)Tg=0.65 s時(shí)，只需將Tg=0.45 s工況下的鋼筋直徑調(diào)整為Ф28即可。

5.3 橋墩總剛度上限

最高橋墩的方案確定后，其余橋墩即可按既定的配筋方案、相應(yīng)的墩高反算總剛度，其上限值以墩身鋼筋最大拉應(yīng)力接近其容許值為判斷條件，即σs,min≤[σs]=315 MPa(注：混凝土壓應(yīng)力一般不控制設(shè)計(jì))，由此得出各墩總剛度上限值，見(jiàn)表3。為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)墩的適用性，表3亦給出了工點(diǎn)橋墩設(shè)計(jì)總剛度，并與剛度上限進(jìn)行對(duì)比。

表3 橋墩總剛度上限及工點(diǎn)橋墩設(shè)計(jì)總剛度比較

由表3可知，所設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)墩能夠適用于本項(xiàng)目高烈度地震區(qū)實(shí)體墩簡(jiǎn)支梁橋，結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度。

6 結(jié)束語(yǔ)

在吸收、借鑒現(xiàn)行鐵路橋墩通用圖的基礎(chǔ)上，忽略行業(yè)熟知的、常規(guī)設(shè)計(jì)中關(guān)于荷載和具體計(jì)算內(nèi)容的介紹，以橋墩總剛度為抓手，設(shè)計(jì)了高烈度地震區(qū)某高鐵簡(jiǎn)支梁橋標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體墩。得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于本項(xiàng)目高烈度地震區(qū)實(shí)體墩簡(jiǎn)支梁橋，所設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)墩適用性較好，各墩、各方向均有富余，且總體上縱向富余小、橫向富余大。

(2)對(duì)于最大墩高H=20 m的橋墩，Tg=0.45 s、0.65 s時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)墩縱向剛度富余量分別為28.5%、10.4%，但存在10 m≤H≤14 m的橋墩富余量較小的情況。

(3)隨著墩高增加，橋墩縱、橫向總剛度上限值均逐漸變小，但由于地震力與墩高、剛度并非線性相關(guān)，橋墩總剛度與墩高亦非線性相關(guān)，又由于工點(diǎn)地質(zhì)條件的隨機(jī)性，因而出現(xiàn)了10 m≤H≤14 m的橋墩富余量較小的情況。

(4)橋墩縱向總剛度較橫向富余量大，說(shuō)明工點(diǎn)橋墩主要受縱向地震力控制；標(biāo)準(zhǔn)墩橫向剛度較大，主要原因?yàn)椋簽榱耸箻蚨論碛凶銐虻目v向承載力，墩身配筋較多，而該配筋方案自然使得橋墩橫向承載力富余大，則呈現(xiàn)出的結(jié)果為橋墩橫向總剛度上限值較工點(diǎn)設(shè)計(jì)值富余多。

(5)所設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)墩可供類似項(xiàng)目參考，本設(shè)計(jì)理念亦可為類似設(shè)計(jì)提供借鑒。