余興勝,文望青

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

1 概述

連續(xù)梁橋墩因上部結(jié)構(gòu)超靜定,其支反力影響線呈曲線變化,且各墩由梁部傳遞下來的水平力受橋墩剛度等多種因素的影響,水平力的分配和墩頂外力組合均比較復(fù)雜,給連續(xù)梁橋墩的設(shè)計(jì)帶來較大困難。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、鐵路標(biāo)準(zhǔn)的提高等多種因素,目前鐵路橋梁中連續(xù)梁所占比例越來越大；同時(shí),由于連續(xù)梁所在工點(diǎn)的差異性技術(shù)要求,很難編制連續(xù)梁橋墩通用圖供設(shè)計(jì)使用。所以,如何高效設(shè)計(jì)連續(xù)梁橋墩成為迫切的現(xiàn)實(shí)需要。

目前對于連續(xù)梁橋墩的計(jì)算還沒有成熟的方法或程序,各個(gè)項(xiàng)目均需單獨(dú)投入人力進(jìn)行研究,手工計(jì)算。設(shè)計(jì)者的理解和認(rèn)識不同,也就存在不同的做法,不但造成時(shí)間和人力的浪費(fèi),還非常容易出現(xiàn)差錯(cuò)。當(dāng)前簡支梁橋墩繪圖普遍采用參考圖的模式,但參考圖均采用手工繪制。連續(xù)梁橋墩因外力差別較大,不宜采用參考圖形式,各工點(diǎn)須單獨(dú)出圖,每個(gè)橋墩都要進(jìn)行墩身及基礎(chǔ)檢算、配筋檢算,繪制墩身及基礎(chǔ)大樣圖,墩身、墊石、承臺和樁基鋼筋圖。當(dāng)前高速、客運(yùn)專線全線連續(xù)梁橋墩數(shù)量動輒上千,各工點(diǎn)間由于地質(zhì)、墩高等的差異,橋墩不像梁部一樣可以全線通用,圖紙數(shù)量龐大,手工繪圖耗時(shí)費(fèi)力,須投入大量設(shè)計(jì)者,不同設(shè)計(jì)者的圖紙也差別較大,整個(gè)設(shè)計(jì)出圖周期長,嚴(yán)重制約供圖。本文提供的方案,就是開發(fā)專用程序?qū)崿F(xiàn)連續(xù)梁橋墩設(shè)計(jì)計(jì)算、配筋制圖,以提高常用形式的連續(xù)梁橋墩設(shè)計(jì)效率。

2 墩頂水平力的計(jì)算

連續(xù)梁合龍后,橋墩在順橋向要承受梁體收縮徐變、溫度變化、列車制動(牽引)力、無縫線路縱向長鋼軌力及地震力等作用。將連續(xù)梁及下部所有橋墩作為一個(gè)系統(tǒng)考慮,可以將這些作用概括為系統(tǒng)內(nèi)力、系統(tǒng)外力兩部分。梁體收縮徐變、溫度變化等引起的橋墩受力簡稱“系統(tǒng)內(nèi)力”,它們在各個(gè)橋墩上產(chǎn)生的力以梁體變形零點(diǎn)為中心對稱分布,對外的合力為零。列車制動(牽引)力、無縫線路縱向長鋼軌力和地震力等是通過梁體傳遞給各個(gè)橋墩的,簡稱“系統(tǒng)外力”,受力工況組合時(shí)可以在梁上將這些力組合后再分配給各個(gè)橋墩。

連續(xù)梁活動支座橋墩的墩頂縱向水平力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮其“不活動”的情況,即各工況縱向水平力小于其支座靜摩阻力時(shí)支座是不活動的,相當(dāng)于固定支座。一般情況下,靜摩阻系數(shù)可以取規(guī)范規(guī)定的上限值,殘余摩阻系數(shù)取規(guī)范規(guī)定的下限值。組合計(jì)算時(shí)根據(jù)作用達(dá)到設(shè)定效應(yīng)所需的時(shí)間長短分3組進(jìn)行,梁體收縮徐變所需時(shí)間最長,所以最先考慮,梁體升、降溫次之,這兩組力為系統(tǒng)內(nèi)力一般先行組合。制動(牽引)力、無縫線路縱向長鋼軌力等系統(tǒng)外力,可以在梁上組合后再與系統(tǒng)內(nèi)力的組合結(jié)果進(jìn)行組合。前后組的力在組合時(shí)需分別按兩組力同時(shí)作用和不同時(shí)作用考慮,即前一組力使活動支座達(dá)到靜摩阻時(shí),后一組力在支座滑移前(靜摩阻)疊加或在滑移后(新的平衡后的殘余摩阻)疊加。

2.1 梁體收縮徐變引起的水平力計(jì)算

對于梁體收縮徐變作用下引起的橋墩縱向水平力,為簡化計(jì)算,把梁體收縮徐變換算為梁體結(jié)構(gòu)整體降溫。根據(jù)墩梁共同作用時(shí),由各墩頂縱向水平力之和∑H=0,并略去梁體在水平力作用下的彈性變形后得

Tsi=Ki(δi+x)

(1)

(2)

∑[Ki(δi+x)]=0

(3)

式中Tsi——連續(xù)梁合龍后i號墩支座處收縮徐變產(chǎn)生的水平力；

δi——連續(xù)梁合龍后i號墩支座處收縮徐變產(chǎn)生的水平位移,計(jì)算時(shí)可按固定墩不動,根據(jù)各墩離固定墩的長度、梁體線膨脹系數(shù)和收縮徐變相當(dāng)溫度計(jì)算；

Ki——i號橋墩的縱向水平剛度,為考慮支座、墩身及基礎(chǔ)的綜合剛度,可在墩頂作用單位力,分別求出支座、墩身及基礎(chǔ)的位移后疊加反求；

x——固定墩墩頂水平位移。

由上式計(jì)算出墩頂水平力,與恒載作用下支座摩阻力比較,如果某活動墩墩頂水平力大于支座摩阻力,則墩頂力即為支座摩阻力,該墩退出共同作用,固定墩與剩余未滑移墩重新分配,直至與計(jì)算體系一致,達(dá)到新的平衡。

2.2 梁體溫度變化引起的水平力計(jì)算

考慮梁體升溫、降溫分別與收縮徐變產(chǎn)生的力組合,與收縮徐變同時(shí)作用時(shí)可直接相加后再分配。如果收縮徐變使活動支座滑移達(dá)到新的平衡,在計(jì)算梁體溫度變化引起支反力時(shí)需考慮支座的殘余摩阻力。先單獨(dú)按升溫或降溫計(jì)算的水平力按上述梁體收縮徐變力的分配原則分配給各個(gè)支座后,與收縮徐變產(chǎn)生的力相加(滑移的活動支座為殘余摩阻力),如果大于支座靜摩阻力,則滑移,此時(shí)溫度產(chǎn)生的力根據(jù)溫度力與收縮徐變力的方向分兩種情況：如果兩者方向相同,即為摩阻力減去收縮徐變產(chǎn)生的力；如果方向相反,則為摩阻力加上收縮徐變產(chǎn)生的力。活動墩滑移后退出共同作用,固定墩與未滑移墩重新分配,直至與計(jì)算體系一致。如果活動墩均滑移,則固定墩取所有活動墩溫度力之和的反力。

2.3 制動(牽引)力等系統(tǒng)外力引起的水平力計(jì)算

制動(牽引)力按全聯(lián)加載的活載總重計(jì)算,無縫線路縱向長鋼軌力需要計(jì)算連續(xù)梁及相鄰跨上的長鋼軌力,地震力可將恒載轉(zhuǎn)換成質(zhì)量按抗震規(guī)范計(jì)算。工況組合時(shí)一般先將系統(tǒng)外力在梁上組合以后再與系統(tǒng)內(nèi)力組合。下面以制動(牽引)力為例說明系統(tǒng)外力的組合原則。

制動(牽引)力引起橋墩縱向水平力按橋墩剛度進(jìn)行分配,即

(4)

式中F——梁上總水平力；

Ti——分配到i號墩的水平力。

制動(牽引)力與系統(tǒng)內(nèi)力進(jìn)行組合時(shí)分同時(shí)、不同時(shí)作用兩種工況?！巴瑫r(shí)作用”表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)力使活動支座剛達(dá)到靜摩阻力,但尚未滑移達(dá)到新的平衡時(shí),累加制動(牽引)力；“不同時(shí)作用”表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)力已使支座滑移,系統(tǒng)達(dá)到新的平衡后再累加制動(牽引)力。

2.4 墩頂橫橋向水平力計(jì)算

連續(xù)梁橋墩在橫橋向受到離心力、搖擺力、列車和梁部風(fēng)力、地震力等作用。橫橋向離心力計(jì)算時(shí),考慮到橋墩橫向剛度較大,為簡化計(jì)算,可以直接采用各支座活載反力計(jì)算離心力；在一般情況下,采用各支座恒載及活載反力轉(zhuǎn)化成墩頂支點(diǎn)的質(zhì)量,簡化計(jì)算橫橋向的地震力；風(fēng)力可簡化按左右跨半跨長范圍的受風(fēng)面積近似計(jì)算。

3 墩頂活載豎向支反力的計(jì)算

連續(xù)梁墩頂支反力在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用連續(xù)梁梁部設(shè)計(jì)提供的各墩最大、最小支反力,這對于中墩設(shè)計(jì)是足夠的,但對于邊墩是不足的,因?yàn)檫叾招枰紤]鄰跨活載對邊墩產(chǎn)生的支反力。以往邊墩支反力多簡化采用兩跨結(jié)構(gòu)的最大或最小活載反力。經(jīng)比較連續(xù)梁的邊墩支點(diǎn)反力影響線,認(rèn)為邊墩雙孔重載時(shí)可以將右邊跨的正值面積移到左邊跨,將左邊跨當(dāng)簡支梁來計(jì)算(圖1)。該原理計(jì)算比實(shí)際值略大一些,但比以往簡化方法更精確。

圖1 3跨連續(xù)梁邊墩支反力影響線

4 墩身及基礎(chǔ)配筋設(shè)計(jì)

鐵路連續(xù)梁橋墩墩身截面形式一般多采用矩形、圓端形、圓形等,可按混凝土偏心受壓構(gòu)件或鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。由于連續(xù)梁支反力較大,墩頂應(yīng)檢算局部承壓,同時(shí)還需進(jìn)行墩頂以下一定深度內(nèi)的抗暴計(jì)算。承臺一般按剛性角控制設(shè)計(jì),必要時(shí)按受彎構(gòu)件或撐桿-系桿體系計(jì)算承臺底部受拉主筋。樁基計(jì)算及配筋采用鐵四院編寫的B89樁基計(jì)算程序。

配套以上計(jì)算原則而開發(fā)的連續(xù)梁橋墩繪圖軟件,實(shí)現(xiàn)了墩身及基礎(chǔ)大樣圖,墩身、墊石、承臺及樁基鋼筋圖的繪制,橋墩及基礎(chǔ)的主要工程數(shù)量計(jì)算等功能。適用于圓端形、矩形(可以倒角)等常用截面形式橋墩,承臺支持矩形、切角(直角、圓角)矩形等,可以設(shè)置加臺。對于支撐墊石的鋼筋配置,結(jié)合施工的工序和便捷性,并參照外方在高速鐵路咨詢的意見,在原設(shè)計(jì)習(xí)慣的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)完善。即在墩身施工時(shí)預(yù)埋豎向錨固筋,并預(yù)留墊石的施工凹槽；墊石頂面鋼筋采用門筋反扣(不預(yù)埋),水平筋采用2根半封閉的鉤筋形成封閉的箍筋。

5 程序流程圖(圖2)

圖2 程序流程圖

橋梁工程師為鐵四院開發(fā)的軌道橋梁集成設(shè)計(jì)系統(tǒng),設(shè)計(jì)者在做全橋設(shè)計(jì)時(shí)會輸入連續(xù)梁梁部及其墩臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本系統(tǒng)可以與其數(shù)據(jù)共享,并將設(shè)計(jì)配筋數(shù)量結(jié)果傳回橋梁工程師作全橋數(shù)量匯總。

6 結(jié)語

基于上述研究成果開發(fā)的連續(xù)梁橋墩設(shè)計(jì)繪圖系統(tǒng)已廣泛運(yùn)用在設(shè)計(jì)工作中。項(xiàng)目因生產(chǎn)需求而立,以服務(wù)生產(chǎn),提高設(shè)計(jì)效率為目標(biāo),項(xiàng)目的實(shí)施由生產(chǎn)需求控制。當(dāng)前墩頂外力計(jì)算部分僅考慮了單線或雙線情況,對于多線鐵路橋墩還不適用；對于連續(xù)梁接連續(xù)梁、連續(xù)梁接橋臺等的墩臺計(jì)算功能還未實(shí)現(xiàn)；墩身配筋設(shè)計(jì)功能主要適用實(shí)體墩,對于空心墩等墩形還不適用。這些工作需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

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