鐵路快速建造式框架墩設計技術研究

張 帥

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

當新建鐵路與運營鐵路出現(xiàn)小角度交叉時,一般采用大跨度結(jié)構(gòu)一跨跨越或多組框架墩跨越[1-5],大跨度結(jié)構(gòu)施工對運營鐵路干擾小但投資大,框架墩具有成本低、布置靈活等優(yōu)點,但其立柱和橫梁施工對運營鐵路干擾大,見圖1。如何快速高效完成施工、減少對運營鐵路的影響值得研究。

圖1 框架墩立柱支架現(xiàn)澆施工Fig.1 Cast-in-place construction of frame piers

框架墩最早采用現(xiàn)澆立柱、現(xiàn)澆橫梁,后續(xù)發(fā)展為現(xiàn)澆墩柱、吊裝鋼橫梁,鋼橫梁為工廠制造、現(xiàn)場拼裝,施工時間短,充分發(fā)揮裝配化施工優(yōu)勢,已成為橋梁跨越運營鐵路的首選方式。而立柱采用現(xiàn)澆施工,需要在運營鐵路旁搭設支架、支立模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土,再進行養(yǎng)護、拆除模板及支架,施工工序多、周期長,支架和模板存在傾覆及落物風險,對運營鐵路特別是高鐵線路、繁忙干線影響大。通過將立柱采用構(gòu)件場外預制、現(xiàn)場裝配化施工,則可大幅縮短影響運營鐵路的施工時間,例如一般立柱現(xiàn)澆需要7 d左右,而裝配化則2 h左右即可完成,明顯減小對運營鐵路的影響。

1 工程概況

某新建高鐵項目跨越多條運營鐵路,設框架墩50余組,上部結(jié)構(gòu)為24,32 m無砟軌道標準簡支梁,框架墩全高10～25 m,橫梁跨度20～30 m,見圖2。為減少施工對跨越點處鐵路運營的不利影響,研究采用新型快速建造式框架墩。

圖2 框架墩結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame piers structure

2 結(jié)構(gòu)形式研究

2.1 橫梁結(jié)構(gòu)形式

橫梁一般采用混凝土橫梁和鋼橫梁兩類。

(1)混凝土橫梁

混凝土橫梁通常采用預應力混凝土結(jié)構(gòu),具有造價低、養(yǎng)護工作量少等優(yōu)點,但因混凝土收縮、徐變、預應力及溫度效應較明顯,對橫梁、墩柱產(chǎn)生的次內(nèi)力較大,往往控制設計,常應用于全現(xiàn)澆施工的框架墩中。

采用快速建造式方案分析。①橫梁整孔預制、一次吊裝:以2.5 m×2.8 m截面為例,當橫梁跨度為15 m時,采用整孔吊裝質(zhì)量將超過250 t,所需大噸位吊機成為方案控制因素。②橫梁節(jié)段預制、分段吊裝:為減輕橫梁單次吊裝質(zhì)量,可將橫梁劃分為小節(jié)段進行預制、再拼裝成整體,小節(jié)段預制拼裝采用較成熟的膠拼梁技術,現(xiàn)場拼裝可采用造橋機、吊機或頂推等工藝,但其輔助設施和機具等對運營鐵路帶來不利影響。

綜上,混凝土橫梁采用快速建造式施工難度大,其適用性較為有限。

(2)鋼橫梁

相比于混凝土橫梁,鋼橫梁無需布設預應力,受收縮徐變影響小,跨越能力強,具有自重輕、承載力強等優(yōu)點,可適用于各類跨度的框架墩。

采用快速建造式方案分析。①橫梁一次吊裝:鋼橫梁因自重輕,可采用于一次吊裝,對運營鐵路的干擾較小,是適應性較廣的方案。②橫梁分段吊裝:在一些大跨度工點中,從減輕吊重的角度也可采用分段吊裝,但鋼橫梁節(jié)段組拼位置需設置在運營鐵路限界以外,且需采用快速組拼方案,盡量縮短橫梁組拼時間。

綜上,鋼橫梁較適宜于快速建造且適用性較廣。

因此,本項目框架墩橫梁推薦采用鋼橫梁、一次吊裝的快速建造方案。

2.2 立柱結(jié)構(gòu)形式

立柱形式較多,本次主要研究混凝土立柱、鋼混組合立柱、鋼立柱、鋼混混合立柱四類。

(1)混凝土立柱

混凝土立柱作為框架墩較為常用的立柱形式,具有結(jié)構(gòu)剛度大、養(yǎng)護工作量小等優(yōu)點。

采用快速建造式方案分析。①立柱整柱預制、一次吊裝:混凝土立柱質(zhì)量偏重,經(jīng)過試算和優(yōu)化,立柱截面采用2 m×2.2 m,以立柱高度10 m為例,其一次吊裝的質(zhì)量為110 t,可滿足一般吊裝條件;如立柱高度增高到15 m,則一次吊裝的質(zhì)量達到165 t,需要較大的吊裝設備。②立柱節(jié)段預制、分段吊裝:當立柱高度過高時,采用分段吊裝方案,節(jié)段間需要進行拼接,因框架墩處于大偏心受力狀態(tài),對連接強度要求較高,可靠連接成為方案控制因素。

綜上,混凝土立柱推薦采用整柱預制的方案,混凝土立柱采用預制裝配化施工,避免傳統(tǒng)立柱現(xiàn)澆支架、模板、鋼筋綁扎等工序,施工速度快、干擾小。

(2)鋼混組合立柱

鋼混組合立柱即外側(cè)采用鋼箱,內(nèi)部填充混凝土,鋼箱可作為內(nèi)部混凝土施工的模板,增強下部結(jié)構(gòu)的剛度,減少鋼箱立柱內(nèi)部的腐蝕風險。

采用快速建造式方案分析:鋼混組合立柱施工時先吊裝安裝立柱鋼箱,鋼箱與基礎拼裝,吊裝完成再泵送內(nèi)部混凝土,鋼箱采用一次整體吊裝方式,因質(zhì)量輕(墩高10～20 m,吊重20～40 t),適宜于各類高度,內(nèi)部混凝土可采用自密實混凝土,自下而上泵送施工。

綜上,鋼混組合立柱適用于中等高度橋墩,或復雜條件下的低矮橋墩,如一些樞紐或夾心地,大型吊機等設備進場困難,采用鋼混組合立柱有利于吊裝施工。鋼箱立柱可快速完成吊裝,同樣避免混凝土立柱現(xiàn)澆施工帶來的不利,達到快速施工、減少干擾的目的。

(3)鋼立柱

鋼立柱即立柱完全采用鋼箱形式,內(nèi)部僅在底部一定范圍填筑混凝土,在日本市政橋梁中有一些應用。應用于鐵路工程時,鋼立柱設計需要具備一定尺寸,以滿足整體剛度要求。相比于鋼混組合立柱,鋼立柱與鋼橫梁間連接設計簡單,當墩高不高或者具有吊裝條件時,可直接將鋼橫梁與鋼立柱在場外預先焊接成門形結(jié)構(gòu),整個門形結(jié)構(gòu)整體吊裝,能最大限度縮短施工時間。

(4)鋼混混合立柱

鋼混混合立柱即下部采用混凝土立柱,上部采用鋼混組合立柱或鋼立柱,主要適用于高墩,如跨越高鐵橋梁時,墩高常達到20～30 m,可先施工下部混凝土立柱,運營鐵路影響范圍內(nèi)采用鋼混組合立柱或鋼立柱,上部結(jié)構(gòu)采用前述方式施工,與下部混凝土立柱進行拼接,達到快速建造的目的。

因此,根據(jù)工點具體特點、跨越點情況、施工條件等,框架墩立柱上述4種方案均可應用。

3 連接形式研究

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)形式,將結(jié)構(gòu)分為不同構(gòu)件,構(gòu)件間存在立柱與基礎、立柱與橫梁、立柱與立柱三類連接形式,其中立柱與立柱間連接指鋼混混合柱上部(鋼混組合立柱或鋼立柱)與下部(混凝土立柱)間的連接,其與下文鋼混組合立柱或鋼立柱與基礎間的連接形式類似,不再詳述。

連接形式是保證結(jié)構(gòu)性能的關鍵[6-7],常用灌漿套筒、灌漿波紋管、預應力連接、承插式等[8-10],各種連接形式特點不一。但不同于一般的鐵路橋墩[11-13]在恒載作用下處于受壓狀態(tài),框架墩立柱在恒載作用下處于大偏心受力狀態(tài),且需要承擔列車動荷載,對連接部位的抗彎強度、疲勞性能等要求高。上述連接方式均不能適應框架墩的受力特點,需要開展新型連接形式研究。

3.1 立柱與基礎

(1)混凝土立柱與基礎間連接

采用剪力釘+連接鋼筋+螺栓組合連接形式,底部設置鋼混結(jié)合段,結(jié)合段設置外包鋼板、鋼錨板,外包鋼板上設剪力釘。通過螺栓將鋼錨板和基礎連接,再在立柱外側(cè)澆筑外圈混凝土實現(xiàn)剪力釘和連接鋼筋的連接,見圖3。其抗彎能力由兩部分組成,一部分由剪力釘、連接鋼筋和后澆混凝土間傳力結(jié)構(gòu)提供,另一部分由底部螺栓提供。

圖3 混凝土立柱與基礎間連接Fig.3 Connection between concrete column and foundation

(2)鋼混組合立柱或鋼立柱與基礎間連接

采用內(nèi)外剪力釘+連接鋼筋+螺栓組合連接方案,鋼箱內(nèi)部填充混凝土,底部設置鋼混結(jié)合段,結(jié)合段設置承壓板、加勁肋,內(nèi)外側(cè)設剪力釘,通過螺栓將承壓板和基礎連接,再在立柱外側(cè)澆筑外圈混凝土、內(nèi)部泵送混凝土實現(xiàn)內(nèi)外剪力釘和連接鋼筋的連接,見圖4。其抗彎能力由三部分組成,一部分由外側(cè)剪力釘、外側(cè)連接鋼筋和后澆混凝土間傳力結(jié)構(gòu)提供;一部分由內(nèi)側(cè)剪力釘、內(nèi)側(cè)連接鋼筋和內(nèi)部混凝土間傳力結(jié)構(gòu)提供;一部分由底部螺栓提供。

圖4 鋼混組合立柱或鋼立柱與基礎間連接Fig.4 Connection between steel-concrete composite column or steel column and foundation

3.2 立柱與橫梁連接

(1)鋼橫梁與混凝土立柱間連接

將混凝土立柱的主筋伸出頂面一定長度,在橫梁底板上設預留孔洞,拼裝時將鋼筋穿入鋼橫梁中,再澆筑后澆混凝土,實現(xiàn)橫梁與立柱間的快速連接,見圖5。其主要傳力路徑為鋼梁通過剪力釘、后澆混凝土將荷載傳遞至立柱上的連接鋼筋。

圖5 鋼橫梁與混凝土立柱間連接Fig.5 Connection between steel beam and concrete column

(2)鋼橫梁與鋼混組合立柱間連接

在鋼混組合立柱上端設置連接鋼筋,連接鋼筋與鋼混組合立柱的加勁肋焊接,連接鋼筋伸出頂面一定長度,在橫梁底板上設預留孔洞,拼裝時將鋼筋穿入鋼橫梁中,再澆筑后澆混凝土,實現(xiàn)橫梁與立柱間的快速連接,見圖6。其主要傳力路徑為鋼梁通過剪力釘、后澆混凝土將荷載傳遞至立柱上的連接鋼筋,再通過連接鋼筋傳遞至鋼箱結(jié)構(gòu)。

圖6 鋼橫梁與鋼混組合立柱間連接Fig.6 Connection between steel beam and steel-concrete composite column

(3)鋼橫梁與鋼立柱間連接

鋼橫梁與鋼立柱之間可采用常用的焊接或栓接,其主要施工難度是鋼橫梁需同時與兩個鋼立柱高精度拼接。

4 主要計算結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)形式和連接形式,對各種形式快速建造式框架墩的關鍵指標進行計算分析,各工點計算邊界條件為:上部結(jié)構(gòu)為(32+32) m標準簡支箱梁,框架墩橫梁跨度20～30 m,跨度全高10～25 m,地震動峰值加速度為0.05g～0.2g。

4.1 強度

(1)鋼橫梁:橫梁高2.4～3.5 m、寬2.8～3.3 m,材質(zhì)為Q345qD,均采用單箱單室截面,頂?shù)装搴?2 mm,腹板厚28 mm,分別計算正應力、剪應力、穩(wěn)定和疲勞等均滿足要求,其中上部箱梁位于框架墩中間位置時,跨中截面的強度控制設計。

(2)立柱鋼結(jié)構(gòu):立柱鋼箱截面縱橫向尺寸為2.4～2.8 m,板厚20 mm,材質(zhì)為Q345qD,箱內(nèi)2 m左右設一道橫向加勁肋,分別計算正應力、剪應力、穩(wěn)定和疲勞等均滿足要求,其中立柱與橫梁相接處為強度控制截面。在罕遇地震作用下鋼結(jié)構(gòu)可保持彈性,立柱采用鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

(3)混凝土立柱:立柱尺寸2.0～2.2 m,采用矩形截面,按照鋼筋混凝土構(gòu)件檢算鋼筋拉應力、混凝土壓應力和裂縫等均滿足要求。

4.2 變形和剛度

(1)梁體撓度

列車高速通過框架墩時,除上部梁體自身產(chǎn)生撓度外,框架墩橫梁在活載下會產(chǎn)出撓度,如32 m梁自身撓度為8.5 mm,框架墩橫梁撓度為2～6 mm,其自身位移的撓跨比為1/3 684,疊加框架墩橫梁位移后的撓跨比為1/2 100,按此簡化算法能滿足簡支梁撓跨比限值為1/1 400的要求。

(2)框架墩剛度

以框架墩墩高23 m,立柱縱橫向尺寸2.4 m×2.6 m為例,選取3組墩,分別對混凝土柱、鋼立柱、鋼混組合柱3種類型的縱橫向線剛度進行計算,計算結(jié)果見表1。

表1 不同類型立柱縱橫向線剛度結(jié)果 kN/cmTab.1 Results of longitudinal and transverse stiffness of different types of columns

由表1可以看出,由于橫向框架效應,各立柱的橫向剛度均較大;縱向剛度為立柱類型和截面尺寸的控制因素,鋼立柱剛度最低;鋼混組合柱由于鋼箱和箱內(nèi)混凝土均提供剛度,因此縱向剛度較大;對矮墩而言,鋼混組合柱剛度較大會造成立柱受力較大,連接設計困難;鋼混組合柱考慮鋼混協(xié)同效應以及混凝土開裂等因素,剛度應適當折減。

4.3 鋼立柱節(jié)點局部應力

鋼橫梁和鋼立柱節(jié)點處受力復雜,梁單元難以準確反映節(jié)點處的受力狀態(tài),采用板單元模型模擬鋼橫梁、鋼立柱、加勁肋等,見圖7,計算局部應力立柱內(nèi)側(cè)最大,其值為108.6 MPa<容許應力210 MPa,滿足規(guī)范要求。

圖7 節(jié)點處局部應力分析(單位:MPa)Fig.7 Local stress analysis at nodes (unit: MPa)

4.4 連接強度及抗震性能

連接鋼筋采用HRB400,直徑32 mm,圓柱頭焊釘采用M22×150,材料為ML15AL,連接螺栓采用8.8級,直徑36～42 mm。

以鋼混結(jié)合柱立柱與基礎連接為例,計算墩柱底的最大縱、橫向彎矩和連接結(jié)構(gòu)提供的抵抗力矩,見表2,可以得出以下結(jié)論。

表2 鋼混結(jié)合柱立柱與基礎連接計算結(jié)果 kN·mTab.2 Calculation results of the connection between steel-concrete composite columns and foundations

(1)在主力、主+附作用下,考慮螺栓、外側(cè)剪力釘/外側(cè)連接鋼筋、內(nèi)側(cè)剪力釘/內(nèi)側(cè)鋼筋提供的抗力大于計算彎矩,且縱橫向的安全系數(shù)達到1.83和1.61。

(2)在恒載+多遇地震作用下,計算彎矩小于抵抗彎矩,各構(gòu)件處于彈性狀態(tài)。

(3)在恒載+罕遇地震作用下,橫橋向各構(gòu)件處于彈性狀態(tài),部分位于高震區(qū)的工點,順橋向按照彈性計算不滿足要求,需考慮延性設計,按外側(cè)連接鋼筋屈服作為縱向屈服彎矩,計算延性系數(shù)為2.06<規(guī)范規(guī)定4.8,滿足規(guī)范要求。

以鋼混結(jié)合柱橫梁與立柱連接為例,連接鋼筋最大應力為190 MPa<容許應力210 MPa,栓釘最大剪力26 kN<容許剪力37.1 kN,滿足要求。

需要說明的是,上述連接計算結(jié)果通過簡化法得出,同時可采用精細化有限元和試驗手段進一步研究新型連接形式的受力機理及承載能力[14-18],文中不再詳述。

4.5 連接疲勞性能

在橫梁與立柱連接、立柱與基礎連接等部位將承擔疲勞荷載,根據(jù)連接設計的特點,疲勞荷載主要由連接處的栓釘和連接鋼筋承擔[19-20],而栓釘和鋼筋均有明確的疲勞應力幅限值,根據(jù)各墩的計算結(jié)果看,因栓釘布置個數(shù)較多、鋼筋規(guī)格適宜,連接處具有良好的疲勞性能,其中栓釘?shù)淖畲笃趹Ψ鶠? kN,小于栓釘?shù)钠谌菰S抗剪承載力18.6 kN。

4.6 抗剪性能

在橫梁與立柱連接、立柱與基礎連接處存在接縫直接剪切破壞可能,抗剪能力由豎向力的摩擦力、連接鋼筋和連接螺栓等提供,根據(jù)計算,正常使用狀態(tài)下僅考慮豎向力的摩擦力情況下,抗剪安全系數(shù)較大,不控制設計;對于地震特別是罕遇地震下,考慮連接鋼筋和連接螺栓提供的剪力后,滿足抗剪要求。

5 施工方案及經(jīng)濟性

5.1 施工方案

快速建造式框架墩根據(jù)立柱形式不同,其施工方式不完全相同,主要施工步驟簡述見表3。

表3 快速建造式框架墩主要施工步驟Tab.3 Main construction steps of rapid construction frame pier

5.2 經(jīng)濟性

相比傳統(tǒng)框架墩,快速建造式框架墩節(jié)省支架和模板費用,增加吊裝工序費用和連接材料費用,直接費用增加5%～10%左右,同等墩高條件下,費用增加依次為:鋼混組合立柱>鋼立柱>鋼混混合立柱>混凝土立柱。但快速建造式框架墩在縮短臨近運營鐵路施工時間方面優(yōu)勢明顯,相應可節(jié)省對運營鐵路的要點時間、提升運營安全性,綜合經(jīng)濟社會效益優(yōu)于傳統(tǒng)框架墩。

6 工程應用

某項目框架墩橫梁跨度26 m,墩全高11.5 m,采用快速建造式,經(jīng)比選結(jié)構(gòu)形式采用前述鋼橫梁和鋼立柱,連接形式采用前述內(nèi)外剪力釘+連接鋼筋+螺栓組合連接方案,主要因其跨越非電氣化鐵路,具備橫梁和兩個立柱一次吊裝條件,采用該方案拼裝時僅需對兩個立柱與基礎進行連接,工序最少,對營業(yè)線干擾時間最短。施工時鋼橫梁和鋼立柱場外組拼完成后,門形結(jié)構(gòu)一次整體吊裝,其中一組立柱僅需十多分鐘即可完成起吊到拼裝,如圖8所示。但整體式吊裝方案對連接精度、吊裝等要求較高,施工時需嚴格控制。

圖8 現(xiàn)場鋼立柱整體吊裝Fig.8 Overall hoisting of steel column

7 結(jié)論

通過理論分析、有限元計算、方案對比和工程應用驗證等方法進行研究,形成鐵路工程快速建造式框架墩設計和施工技術,主要研究成果如下。

(1)快速建造式框架墩橫梁采用鋼結(jié)構(gòu),立柱采用混凝土立柱、鋼混組合立柱、鋼立柱及鋼混混合立柱,采用全裝配化施工,可適應不同橫梁跨度、高度的框架墩快速建造需要。

(2)提出了快速建造式框架墩橫梁與立柱間、立柱與基礎間等新型連接形式,可實現(xiàn)現(xiàn)場快速化拼裝。

(3)通過計算分析,快速建造式框架墩的強度、剛度、疲勞、連接性能等均滿足受力要求。

(4)該技術在工程中成功實施,實現(xiàn)了減少施工對運營鐵路影響、降低行車安全風險的目標,具有較好的推廣價值。