錢　光

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

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商杭客運(yùn)專線系桿拱橋墩設(shè)計(jì)

錢光

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

摘要以商杭客運(yùn)專線西苕溪特大橋主橋橋墩設(shè)計(jì)為例，對T形墩尺寸的擬定進(jìn)行具體說明，給出采用先拱后梁施工方法施工T形橋墩的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。通過對施工階段及成橋運(yùn)營階段外力作用下橋墩受力情況的計(jì)算分析，對橋墩的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、墩身偏心等進(jìn)行詳細(xì)檢算。

關(guān)鍵詞商杭鐵路系桿拱T形墩先拱后梁

1橋址概況

商杭客運(yùn)專線西苕溪特大橋位于浙江省湖州市吳興區(qū)境內(nèi)，本橋在DK707+116.58處與西苕溪左線特大橋采用雙線共墩設(shè)計(jì)，在DK707+116.58以后為單線繞行地段，基礎(chǔ)和橋墩分開設(shè)計(jì)，為單線橋，橋址于YDK710+153.4～YDK710+281處跨越長興港。長興港為重要通航河流，Ⅲ級航道，河道與線路大里程夾角為49°。要求通航凈高7 m，凈寬90 m，設(shè)計(jì)采用主跨140 m系桿拱一跨跨越長興港方案。因航道管理部門要求施工期間需確保航道正常運(yùn)行，無法采用滿堂支架先梁后拱的常規(guī)施工方法。經(jīng)研究，采用先拱后梁的施工方案，以滿足通航要求。

橋址范圍內(nèi)地質(zhì)情況主要為粉土、粉質(zhì)黏土、粗角礫土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，地基承載力為100～500 kPa。橋址范圍內(nèi)地震動峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度6度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，工程抗震設(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防烈度為6度。主橋平立面如圖1、圖2所示。

圖1　西苕溪右線特大橋主橋平面(單位：cm)

圖2　西苕溪右線特大橋主橋立面(單位：cm)

2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)速度：160 km/h。

線路情況：無砟軌道，單線。

線路平面：主橋位于曲線半徑1 200 m的圓曲線上。

設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

通航等級：Ⅲ級。

3橋墩設(shè)計(jì)

3.1尺寸確定

本橋主跨主要為跨越三級航道長興港而設(shè)，系桿拱采用先拱后梁施工方法進(jìn)行施工。施工階段將產(chǎn)生較大的縱向水平力，且主橋橋墩高20 m，必然對墩身及基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的縱向彎矩，同時(shí)豎向力較小，橋墩截面可能成為大偏心受壓構(gòu)件，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。系桿拱梁的支座橫向間距較簡支梁大，為節(jié)約工程材料，橋墩采用橫向?qū)ΨQ的矩形實(shí)體墩。

系桿拱主梁梁端單側(cè)最小伸縮縫要求為20 cm，簡支梁單側(cè)最小伸縮縫要求為5 cm，主橋位于曲線半徑1 200 m的圓曲線上，通過對預(yù)制的簡支梁梁端現(xiàn)澆部分橋面板來解決因曲線半徑帶來的兩梁端間距過大的問題。簡支梁、系桿拱梁端橫向支座中心連線均與線路形成一定交角，橋墩尺寸擬定時(shí)必須在平面圖上根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算交角及橫向偏距帶來的影響。在平面圖上按實(shí)際需要布置兩側(cè)梁的支承墊石，以此來確定滿足規(guī)范相關(guān)構(gòu)造要求的橋墩尺寸。

由于支座與橋墩的相對位置固定，橋墩兩側(cè)簡支梁與系桿拱產(chǎn)生的豎向力相差較大，在恒載作用下，墩身將承受一定的彎矩。另外，在基礎(chǔ)位置布置時(shí)，通過控制承臺中心與橋墩質(zhì)心的距離，避免基礎(chǔ)在恒載狀態(tài)下承受彎矩，使樁基設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理。

綜上所述，結(jié)合梁端影響、橋墩構(gòu)造要求、設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)性等要求，確定簡支梁側(cè)墩頂截面尺寸為1.8 m×7 m，系桿拱側(cè)墩頂截面尺寸為3.3 m×14 m，墩身豎向?yàn)橹逼?，簡支梁?cè)橋墩設(shè)置0.2 m超高。橋墩結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　主橋橋墩結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

3.2施工階段受力計(jì)算

施工階段產(chǎn)生的水平推力可能使橋墩截面處于大偏心受壓狀態(tài)，這對結(jié)構(gòu)極為不利。必須對施工階段橋墩受力進(jìn)行詳細(xì)檢算，確保按構(gòu)造要求擬定的橋墩結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求，以免后續(xù)設(shè)計(jì)引起橋墩尺寸的修改，影響設(shè)計(jì)過程。

本次設(shè)計(jì)通過橋梁博士計(jì)算軟件建立主橋計(jì)算模型，對其各個(gè)施工階段進(jìn)行詳細(xì)模擬計(jì)算。橋墩承受的主要施工階段墩頂豎向力及水平推力見表1。

在主梁施工過程中，橋墩各截面主要承受施工荷載及其自重，為偏心受壓構(gòu)件。經(jīng)計(jì)算，在各施工階段產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為4.99 MPa，最大偏心矩e/S=0.53<0.7。結(jié)果表明，墩身處于小偏心受壓狀態(tài)，橋墩全截面受壓，受力狀況較好。說明擬定的橋墩結(jié)構(gòu)尺寸能夠滿足施工階段的受力要求。

3.3運(yùn)營階段受力計(jì)算

(1)設(shè)計(jì)荷載

本橋位于曲線上，墩頂外力主要有主力(列車活載、鋼軌縱向伸縮力和撓曲力、橫向搖擺力)、附加力(制動力、風(fēng)力)、特殊荷載(列車脫軌荷載、船舶撞擊力、地震力、鋼軌斷軌力)。

表1　主要施工階段墩頂外力

注：墩頂水平推力方向正號表示背離主跨方向，負(fù)號表示指向主跨方向。

對于活載，按照簡支梁橋墩最不利加載方式加載：單線加載，又分一孔重載、雙孔重載、一孔輕載、雙孔輕載、雙孔空車、橋上無車。由于橋墩兩側(cè)為不等跨梁，還需分大小跨方向加載。最不利活載加載圖示見圖4。

圖4　活載加載圖示

制動力采用豎向凈活載的10%，橫向搖擺力，取值100 kN，作用于軌面。風(fēng)壓強(qiáng)度偏安全的取值為：有車時(shí)取1.25 MPa，無車時(shí)取2.25 MPa。伸縮力、斷軌力數(shù)值通過建立軌道、橋梁有限元模型計(jì)算獲得。地震力按單墩力學(xué)模型簡化計(jì)算。

(2)荷載組合

按單線行車、橋上無車2種類型進(jìn)行組合，每一類型中的荷載組合僅考慮縱向或橫向一個(gè)方向上的附加荷載。地震力與單線行車活載組合，墩身護(hù)面鋼筋根據(jù)地震力荷載工況確定。

(3)墩身檢算結(jié)果

根據(jù)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求，對橋墩強(qiáng)度、墩頂位移、偏心、縱向穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，最不利結(jié)果見表2。

表2　橋墩檢算結(jié)果

在成橋運(yùn)營階段，主橋橋墩各截面在不同荷載組合作用下，其各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。

4結(jié)論

(1)采用先拱后梁法無支架施工方法，滿足了對通航河道不斷航或少斷航的要求，具有很大的社會效益。

(2)系桿拱橋采用先拱后梁施工方法進(jìn)行施工時(shí)，施工過程中將產(chǎn)生較大的水平推力，對橋墩會產(chǎn)生不利影響，需要采取一定的施工臨時(shí)措施來減小水平推力，同時(shí)對墩身進(jìn)行具體檢算，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(3)墩身尺寸擬定時(shí)，首先要考慮曲線半徑對墩頂支座布置的影響，再根據(jù)相關(guān)構(gòu)造及受力要求進(jìn)行確定。同時(shí)應(yīng)考慮施工方便性，對相似尺寸的橋墩進(jìn)行合并設(shè)計(jì)，減少橋墩類型，以減少施工模板種類。

(4)橋墩應(yīng)與基礎(chǔ)綜合考慮，一般應(yīng)使上部結(jié)構(gòu)恒載及墩身自重對基礎(chǔ)中心產(chǎn)生的彎矩為零，使基礎(chǔ)以上構(gòu)件恒載對基礎(chǔ)只產(chǎn)生豎向力。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道第三勘測設(shè)計(jì)院.橋梁設(shè)計(jì)通用資料[M]. 北京：中國鐵道出版社，1994

[2]中華人民國和國鐵道部.TB10002.4—2005鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[3]鐵道第四勘測設(shè)計(jì)院.橋梁墩臺[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[4]中華人民國和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[5]國家鐵路局.TB10621.4—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015

[6]邵旭東，等.橋梁設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2006

[7]高策.城際鐵路雙線圓端形實(shí)體橋墩設(shè)計(jì)研究[J].鐵道勘察，2013(2):86-89

[8]江浩，王克曉，姜濤，等.高鐵橋墩沉降趨勢預(yù)測[J].鐵道勘察，2012(6):20-22

[9]李海峰，張林，羅勇，等.先拱后梁法施工拱腳水平推力的處理[J].浙江交通科技，2004(2):43-44

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：錢光(1984—)，男，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0108-03

中圖分類號：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

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