邢 雨，左家強，萬 明

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津市 300142）

0 引言

在鐵路橋梁建造中,部分地區(qū)由于既有道路及管線錯綜復雜,橋梁小角度交叉點越來越多,而框架墩結(jié)構(gòu)由于靈活的布置方式，應(yīng)用越來越廣泛。我國鐵路采用跨區(qū)間無縫線路，為了保證橋上無縫線路的穩(wěn)定性和安全性，同時保證橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全，橋墩具有一定的剛度要求，因此橋墩越高，尺寸往往越大。

田萬俊等[1]對城市輕軌鐵路中采用的預應(yīng)力混凝土框架墩的設(shè)計要點和方法進行了詳細介紹；宋順忱等[2-3]對津秦客運專線連續(xù)梁-框架墩體系結(jié)構(gòu)剛度、空間受力行為、地震響應(yīng)、溫度變形對結(jié)構(gòu)體系的影響、鋪設(shè)無砟軌道的適應(yīng)性等關(guān)鍵問題進行了研究；張世基[4]對重載鐵路大跨度預應(yīng)力混凝土框架墩進行了實例分析；孫智峰[5]、歷付[6]對鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計進行了研究。

目前國內(nèi)鐵路尚無40 m以上高度框架墩結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計這種結(jié)構(gòu)時，需要依據(jù)鐵路框架墩的受力特點，依據(jù)工點具體情況，制定合適的設(shè)計方案。

1 工程概況

南昌經(jīng)景德鎮(zhèn)至黃山鐵路工程（昌景黃鐵路）景北折返線19~22號墩，初步設(shè)計擬采用框架墩結(jié)構(gòu)形式跨越景北右線（下層鐵路）及瓷源路（最下層公路），其墩高36.5~43 m。昌景黃鐵路為中國鐵設(shè)EPC總承包項目，設(shè)計單位提供的初步設(shè)計方案立面圖、平面圖見圖1、圖2。

圖1 初步設(shè)計方案立面圖（單位：cm）

圖2 初步設(shè)計方案平面圖

景北折返線、景北右線以下分別簡稱上層鐵路、下層鐵路，關(guān)鍵邊界條件如下：

（1）線路條件：上下層均為單線鐵路；設(shè)計速度目標值200 km/h；景北折返線位于直線段落，景北右線位于緩和曲線段落（R=800 m）。

（2）軌道標準：上下層均鋪設(shè)無縫線路，單位長度鋼軌質(zhì)量60 kg/m。

（3）軌道類型及軌道高度：上下層均采用有砟軌道，軌頂(內(nèi)軌軌面）至梁頂0.886 m。

（4）設(shè)計活載：ZK活載。

（5）地震動峰值加速度a=0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

2 鐵路框架墩受力特點研究

2.1 鐵路框架墩荷載特點研究

鐵路框架墩結(jié)構(gòu)平面一般垂直于線路方向（或稍微偏離垂線），其承受的荷載可以分為平面外荷載、平面內(nèi)荷載、其他荷載。

鐵路框架墩所承受的平面外荷載一般包括：縱向風力、鋼軌伸縮力、鋼軌撓曲力、鋼軌斷軌力、列車制動力、順橋向地震力等。當受到順線路方向的作用力時，其結(jié)構(gòu)模型類似于普通鐵路橋墩，結(jié)構(gòu)模型可以抽象為一端固結(jié)的懸臂桿，計算比較簡單，但墩頂縱向位移對結(jié)構(gòu)尺寸影響較大。

鐵路框架墩索承受的平面內(nèi)荷載又分為豎向力與橫向水平力。一般來說，鐵路框架墩承受較大的豎向荷載，通過支座直接作用在框架墩橫梁上，包括箱梁與軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量、列車豎向荷載、運架梁荷載等。以昌景黃鐵路單線32 m有砟簡支梁為例，其支座豎向反力見表1。

表1 支座豎向反力 單位：kN

鐵路框架墩所承受的橫向水平力包括離心力、搖擺力、橫向風力等。橫向水平力造成橫向撓度、水平折角，是橫向剛度的主要控制荷載。橫向水平力對平面內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)力也有一定影響，但數(shù)值較小，以橫向搖擺力為例，《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（TB 10002—2017）規(guī)定，高速鐵路橫向搖擺力取80 kN，與豎向荷載不在一個數(shù)量級。

其他荷載包括基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度荷載等，一般與結(jié)構(gòu)剛度、基礎(chǔ)剛度關(guān)聯(lián)性較大；剛度越大，沉降及溫度造成的內(nèi)力越大[7]。

2.2 鐵路框架墩內(nèi)力特點研究

框架墩下部一般采用樁基礎(chǔ)，一些研究認為框架墩力學模型可以抽象為下部約束是介于鉸接與固結(jié)之間的剛架結(jié)構(gòu)，但需要研究得出結(jié)論。根據(jù)上述分析，鐵路框架墩所承受的荷載主要為通過支座傳遞下來的豎向集中力，故可以通過建立Midas模型，分析框架墩受力特點。

圖3~圖5為同一結(jié)構(gòu)尺寸的剛架墩底分別為固結(jié)、鉸接以及采用輸入基礎(chǔ)剛度[8]時，橫梁施加1 000 kN豎向力時的彎矩圖，其中輸入剛度與實際常規(guī)鐵路框架墩所采用的剛度數(shù)量級基本一致[8]。

圖3 固結(jié)模型彎矩圖（單位：kN·m）

圖4 鉸接模型彎矩圖（單位：kN·m）

圖5 輸入剛度模型彎矩圖（單位：kN·m）

由圖3~圖5可知，輸入剛度模型受力特點與固結(jié)剛架模型基本一致。進一步建立不同基礎(chǔ)剛度的Midas模型，得到如下結(jié)論：

（1）輸入剛度模型在荷載作用下存在整體位移，而固結(jié)模型不存在。

（2）固結(jié)模型在溫度及基礎(chǔ)不均勻沉降作用下造成的內(nèi)力非常大，相當于輸入剛度模型的基礎(chǔ)剛度提高數(shù)個數(shù)量級。

因此，鉸接模型與鐵路框架墩實際受力特點不符；固結(jié)模型相對保守，會造成不必要的投資；輸入剛度模型較為符合鐵路工程實際。

3 雙層方案研究

通過對邊界條件的梳理，可以發(fā)現(xiàn)上下層鐵路橋跨布置基本對應(yīng)，且均屬昌景黃鐵路項目，可以同期施工。因此可以研究雙層框架墩方案，與原初步設(shè)計方案進行對比。

由圖2可知，初步設(shè)計方案中景北右線與景北折返線橋跨布置不一致，并存在較大夾角，因此作如下調(diào)整：

（1）下層景北右線18~19號墩之間原為24.6 m簡支梁，19~20號墩之間原為32.6 m簡支梁，為了與上層景北折返線跨度基本一致，將2片梁位置對調(diào)，即18~19號墩之間改為32.6 m簡支梁，19~20號墩之間改為24.6 m簡支梁。

（2）原初步設(shè)計框架墩橫梁中心線與上層景北折返線垂直，并與下層景北右線存在較大交叉角度。雙層框架墩布置時，橫梁中心線與景北折返線、景北右線均存在較小的斜交角度，以免橫梁過寬或增加齒塊結(jié)構(gòu)。

（3）調(diào)整框架墩平面位置，使得上下層箱梁合力作用于橫梁中心線。

調(diào)整后的雙層框架墩方案立面、平面布置圖見圖6~圖8。

圖6 雙層框架墩方案立面圖（單位：cm）

圖7 雙層框架墩方案平面圖（上層）

圖8 雙層框架墩方案平面圖（下層）

雙層框架墩方案與原方案相比，少了4個普通橋墩及相應(yīng)的樁基礎(chǔ)，但是多了4個橫梁及相應(yīng)的預應(yīng)力。因此，在控制相同計算指標的情況下，對其工程量及投資進行比較。方案工程量及投資對比見表2。

表2 方案工程量及投資對比

由表2可見，雙層框架墩方案較原方案節(jié)省投資128.7萬元，造價節(jié)省7%。

除此之外，雙層框架墩方案還存在以下優(yōu)點：

（1）雙層方案超靜定次數(shù)較高，具有較強的結(jié)構(gòu)魯棒性，安全可靠[9-10]。

（2）雙層方案多一道橫梁，極大改善了橫向剛度，避免了墩體橫向放坡。

（3）從模型圖上看，雙層方案十分穩(wěn)重，給人以一種安全感，并且雙層方案避免了原方案單層框架墩+普通墩交錯雜亂的視覺感，上下雙層的立體式交通具有現(xiàn)代氣息。

因此本工點采用雙層框架墩方案。

4 結(jié)構(gòu)計算

雙層框架墩上架設(shè)單線32 m或24 m預應(yīng)力簡支箱梁，墩全高36.5~43 m。

雙層框架墩參數(shù)表見表3。

表3 雙層框架墩參數(shù)表

景北折返線（上層）第19、20、21、22號架墩，對應(yīng)景北右線（下層）墩號為16、17、18、19，為便于說明分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號框架墩表示?？蚣芏諜M梁計算跨度為22 m，采用矩形截面，順橋向?qū)?.2 m，高2.8 m，與墩相接處設(shè)置加腋；墩柱橫橋向（垂直線路方向）墩底寬3.0 m，順橋向（沿線路方向）墩頂寬3.6 m，向下按照1∶30放坡。使用Midas建立雙層框架墩有限元模型，見圖9。

圖9 雙層框架墩有限元模型

4.1 剛度檢算

鐵路鋼軌除了受到列車運營時的動彎力及長鋼軌鎖定時的溫度應(yīng)力以外，還要承受由于梁體伸縮變形和列車制動引起的附加應(yīng)力，因此需要保證軌道的強度和穩(wěn)定性，而這些附加應(yīng)力的值與下部結(jié)構(gòu)的剛度以及橋梁跨度是密切相關(guān)的。此前國內(nèi)最高鐵路框架墩為京石客專左聯(lián)特大橋某框架墩（38.5 m）[11-12]，而本工點結(jié)構(gòu)高度最大的Ⅳ號墩高達43 m，為了增加縱向剛度，采用放坡增大尺寸的方法。Ⅳ號墩墩頂縱向?qū)?.6 m，向下按照1∶30放坡，墩底縱向?qū)掃_6.467 m。

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》第5.4.3節(jié)規(guī)定，當不做梁-軌共同作用分析時，墩臺頂縱向水平剛度不宜小于表4所示的客貨共線、高速鐵路墩臺頂縱向水平剛度限值。

表4 客貨共線、高速鐵路墩臺頂縱向水平剛度限值

對于本工點采用的雙層框架墩方案，上下兩層鐵路均為單線，存在3種不利工況：

（1）僅上層鐵路有列車通過。

（2）僅下層鐵路有列車通過。

（3）上下層鐵路列車同時通過（同向）。

因此，本工點雙層框架墩兼具單線、雙線鐵路下部結(jié)構(gòu)的特點，建議采用如下判評標準：

（1）按照雙線鐵路標準，在首層支座中心位置作用縱向單位力，滿足水平線剛度不小于350 kN/cm要求。

（2）按照單線鐵路標準，在首層及二層支座中心位置同時作用縱向單位力，雙層框架墩滿足水平線剛度不小于220 kN/cm要求（以墩頂位移進行判斷）。

結(jié)構(gòu)高度最大的Ⅳ號墩（43 m）按照上述標準施加荷載得到的剛度數(shù)值分別為385 kN/cm、261 kN/cm，滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。此外，《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求的豎向梁端轉(zhuǎn)角、靜活載撓度、墩頂縱橫向位移、徐變變形等其余剛度指標也滿足要求。

4.2 強度檢算

以Ⅳ號墩為例，在框架墩自重與箱梁荷載等豎向荷載作用下，Ⅳ號墩承受豎向荷載的內(nèi)力圖見圖10。根據(jù)該內(nèi)力圖，布置上下橫梁預應(yīng)力鋼束。Ⅳ號墩上下層橫梁預應(yīng)力布置見圖11、圖12，鋼束彎起位置隨支座位置進行調(diào)整。

圖10 Ⅳ號墩承受豎向荷載內(nèi)力圖

圖11 Ⅳ號墩上層橫梁預應(yīng)力布置

圖12 Ⅳ號墩下層橫梁預應(yīng)力布置

框架墩橫梁控制位置檢算結(jié)果見表5，表中應(yīng)力數(shù)值拉為負，壓為正。

經(jīng)檢算，上下層橫梁運營工況下均保持全截面受壓，截面強度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)、主應(yīng)力等各項指標均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。由表5可知，框架墩墩柱按照鋼筋混凝土橋墩進行檢算，混凝土壓應(yīng)力、鋼筋拉應(yīng)力及裂縫寬度均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。

表5 框架墩橫梁控制位置檢算結(jié)果

本工點采取先支架現(xiàn)澆下層結(jié)構(gòu)并預留接長鋼筋，待下層運架梁結(jié)束后繼續(xù)施工上層立柱及橫梁的施工步驟，施工工況又分為上層橫梁停、運、架工況及下層橫梁停、運、架工況。經(jīng)檢算，各施工工況橫梁及墩柱檢算均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。

5 結(jié) 語

（1）鐵路框架墩以承受豎向荷載為主，其結(jié)構(gòu)可以用輸入基礎(chǔ)剛度剛架模型進行模擬。

（2）對于本工點而言，雙層框架墩方案較原方案造價節(jié)省7%，并且更加安全、美觀。

（3）本工點采用放坡增大墩寬的方法確保結(jié)構(gòu)縱向剛度，并提出了雙層框架墩剛度限值的2種標準。

（4）按照本方案提出的結(jié)構(gòu)尺寸及配束方案，橫梁、墩柱運營工況及施工工況下各檢算結(jié)果均滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。

（5）昌景黃鐵路雙層框架墩最高43 m，為目前國內(nèi)最高的鐵路框架墩結(jié)構(gòu)。本研究為國內(nèi)鐵路類似項目的建設(shè)提供了借鑒意義。