(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

圓端形橋墩具有造型美觀、阻水作用小等特點(diǎn)，是鐵路橋梁的一種重要墩型。隨著現(xiàn)代化鐵路的大規(guī)模發(fā)展，圓端形橋墩也在不斷改進(jìn)，被廣泛的應(yīng)用于各條鐵路建設(shè)中。目前時(shí)速250 km、350 km的部頒橋墩通用圖均有專門的圓端形橋墩。城際鐵路的一個(gè)重要特點(diǎn)是線路經(jīng)常走行于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，道路密集、人口稠密，這對(duì)橋墩設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)要求。首先，線路走行于道路中央分隔帶中，為了減小分隔帶寬度，橋墩橫向尺寸不得過大；其次，城市附近景觀要求較高，橋墩過于粗壯會(huì)顯得不夠美觀。結(jié)合某城際鐵路，對(duì)圓端形實(shí)體橋墩進(jìn)行分析研究。

1　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：城際鐵路；

設(shè)計(jì)速度：200 km/h；

設(shè)計(jì)活載：ZC活載，即0.6UIC；

曲線半徑：R≥2 000 m；

線間距：4.4 m；

動(dòng)車組類型：CRH6型車；

軌道類型：無砟軌道、無縫線路。

2　總體設(shè)計(jì)

我國早期客貨共線圓端形橋墩常采用的結(jié)構(gòu)形式為圓端形墩身，矩形頂帽，托盤由圓形漸變?yōu)榫匦?。目前客運(yùn)專線、城際鐵路多采用圓端形墩身及圓端形頂帽及托盤，頂帽頂設(shè)置排水坡，頂帽與墩身間不設(shè)置飛檐。城際鐵路一般采用整孔簡支箱梁，箱梁梁端設(shè)置可供養(yǎng)護(hù)人員上下的槽口，為了方便養(yǎng)護(hù)人員工作，墩頂對(duì)應(yīng)設(shè)置順橋向的開槽，開槽深度為50 cm，墩頂至梁底高差為60 cm，即梁底至墩頂開槽高差為1.1 m左右，可基本保證人員檢查、通過。墩頂設(shè)置吊籃，為養(yǎng)護(hù)人員提供工作平臺(tái)。為了增加橋墩美觀效果，橋墩正面設(shè)置了深10 cm、寬70 cm的開槽。

梁跨組合類型包括(31.5+31.5)m、(31.5+23.5)m、(23.5+23.5)m三種。三種跨度組合采用相同的橋墩尺寸，直、曲線上的橋墩亦采用相同尺寸。(31.5+23.5)m不等跨時(shí)按照恒載作用下墩身縱向彎矩為零原則，設(shè)置8 cm縱向預(yù)偏心，并對(duì)墊石位置進(jìn)行相應(yīng)移動(dòng)。

橋墩墩身、頂帽采用C35混凝土，墊石采用C50混凝土(如圖1所示)。

圖1　墩高3.5～14 m橋墩構(gòu)造(單位：cm)

3　頂帽平面尺寸的確定

頂帽平面尺寸應(yīng)能滿足墊石角點(diǎn)、下支座板到頂帽外緣的要求以及支座維修更換的要求?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]要求32 m簡支梁對(duì)應(yīng)支座墊板至頂帽外緣距離不小于35 cm。一般支座設(shè)計(jì)說明中也會(huì)對(duì)支座板至墊石邊緣距離有最小限值要求，以滿足墊石局部承壓受力。支座的位置及噸位大小、尺寸根據(jù)梁部圖紙確定，但橋梁位于曲線時(shí)，梁部按平分中矢法布置，此時(shí)支座相對(duì)于橋墩也有一定的旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)。本線最小曲線半徑2 000 m，根據(jù)最小曲線半徑進(jìn)行曲線計(jì)算布置，確定墊石尺寸為2.4 m×1 m。

支座維修更換主要考慮千斤頂位置及操作空間的要求。另外，對(duì)于預(yù)制梁而言，為了灌注支座底板與墊石間的無收縮高強(qiáng)材料，架梁時(shí)也需將箱梁臨時(shí)支撐于頂帽千斤頂上，即安裝支座時(shí)也存在頂梁過程。梁底至墩頂高差按60 cm設(shè)計(jì)，可以滿足頂梁千斤頂高度。雙線簡支箱梁橫向?qū)挾容^大，一般采用橫向頂梁，如本項(xiàng)目雙線簡支箱梁橫向底寬5.1 m。橫向頂梁即千斤頂置于橫橋向支承墊石內(nèi)側(cè)，一般不需對(duì)頂帽尺寸進(jìn)行加大。單線箱梁由于橫向?qū)挾容^小，如仍采用橫向頂梁時(shí)，橫向兩側(cè)千斤頂升降不同步時(shí)箱梁橫向傾覆風(fēng)險(xiǎn)較大，故單線橋墩一般采用縱向頂梁，即千斤頂置于順橋向墊石外側(cè)?？v向頂梁時(shí)頂帽尺寸需適當(dāng)加大，一般頂帽邊緣至墊石邊順橋向距離應(yīng)根據(jù)可能采用的千斤頂平面尺寸確定。

4　設(shè)計(jì)荷載

4.1　恒載及活載

恒載按照梁部設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁?shù)值計(jì)算?；钶d為0.6UIC活載。墩頂帽計(jì)算時(shí)計(jì)入沖擊系數(shù)影響，墩身計(jì)算時(shí)不計(jì)沖擊系數(shù)。

4.2　離心力

離心力的大小等于1.35倍的豎向靜活載乘以系數(shù)

式中v——設(shè)計(jì)速度/(km/h)；

R——曲線半徑/m；

f—豎向活載折減系數(shù)。

離心力和豎向活載組合時(shí)考慮三種情況：

①不折減的ZC活載和按120 km/h速度計(jì)算的離心力(f=1.0)；

②折減的ZC活載和按設(shè)計(jì)速度計(jì)算的離心力(f<1.0)；

③不計(jì)離心力，按直線計(jì)入列車活載作用。

4.3　制動(dòng)力或牽引力

城際鐵路不同于一般高速鐵路，線路常設(shè)置多個(gè)高架車站，從概率角度來說，高架站附近橋墩承受制動(dòng)力或牽引力作用要比一般區(qū)間內(nèi)橋梁更加頻繁，故設(shè)計(jì)采用的制動(dòng)力或牽引力較高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范有一定提高。參照其他規(guī)范[2]，按列車豎向靜活載的15%計(jì)算，但當(dāng)與離心力或列車豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，則按豎向靜活載的10%計(jì)算。設(shè)計(jì)按墩頂設(shè)置一孔梁固定支座考慮，雙線橋采用一線的制動(dòng)力或牽引力。制動(dòng)力或牽引力作用在軌頂以上2 m處，但計(jì)算橋墩時(shí)移至支座中心處，不計(jì)移動(dòng)作用點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩。

4.4　橫向搖擺力

橫向搖擺力按主力計(jì)，其值為100 kN，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。雙線橋只計(jì)算任一線上的橫向搖擺力，ZC活載作用下，空車時(shí)不考慮橫向搖擺力。

4.5　無縫線路長鋼軌縱向力

按橋墩位于無縫線路固定區(qū)設(shè)計(jì)。伸縮力、撓曲力按主力考慮，斷軌力按特殊荷載考慮，均作用于支座中心。伸縮力、撓曲力、斷軌力按軌道專業(yè)提供數(shù)值計(jì)算，不等跨簡支梁的長鋼軌縱向力按大跨取值。

4.6　列車脫軌荷載

列車脫軌荷載不計(jì)動(dòng)力系數(shù)，設(shè)計(jì)按《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》加載。雙線橋只計(jì)一線脫軌荷載，且另一線上不作用列車活載。

4.7　風(fēng)荷載

設(shè)計(jì)偏安全取有車、無車時(shí)各部位風(fēng)荷載強(qiáng)度為1.25 kPa、2.25 kPa。列車受風(fēng)面積按3 m高的長方帶計(jì)算，其作用點(diǎn)在軌頂以上2 m高度處。

4.8　荷載組合

(1)橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)僅考慮主力與一個(gè)方向(順橋或橫橋方向)的附加力相組合。

(2)ZC活載作用下，列車脫軌荷載與主力相組合，不與其他附加力組合。

(3)橋上無縫線路縱向力組合。

(4)考慮無縫線路作用而增加的荷載組合

4.9　墩身受力計(jì)算

(1)墩身受壓時(shí)，橋墩整體縱向穩(wěn)定性按《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]計(jì)算

K×N

式中N——作用于橋墩支承墊石頂?shù)妮S向壓力/kN；

K——安全系數(shù)，主力時(shí)K=2.0，主力+附加力時(shí)K=1.6；

Ncr——橋墩順截面回轉(zhuǎn)半徑較小方向彎曲的縱向彎曲(屈曲)臨界荷載/kN。

(2)墩身截面強(qiáng)度按《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)滿足

σ≤K×[σ]

式中K——系數(shù)，主力K=1.0；主力+附加力K=1.3；主力+特殊荷載(地震力除外)K=1.4；主力+地震力K=1.5。

σ——墩身任一檢算截面上的壓應(yīng)力/MPa。當(dāng)求得的最小應(yīng)力為負(fù)值時(shí)，截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力重分布計(jì)算，應(yīng)力重分布后的最大壓應(yīng)力不得大于墩身的容許壓應(yīng)力。

[σ]——墩身偏(中)心受壓的容許壓應(yīng)力/MPa。

5　橋墩縱向線剛度

橋墩縱橫向線剛度是無縫線路鐵路橋墩設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。自《新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[4]發(fā)布以來，多部規(guī)范都對(duì)剛度做出要求。無縫線路暫規(guī)及時(shí)速250 km、350 km暫規(guī)[5-6]中要求雙線32 m簡支梁對(duì)應(yīng)墩頂最小線剛度不小于400 kN/cm，現(xiàn)行高速鐵路規(guī)范要求該剛度不小于350 kN/cm，略有降低。墩頂縱向水平剛度限值取決于兩方面的因素：一是橋上鋼軌的附加應(yīng)力，二是制動(dòng)力作用下梁軌相對(duì)位移的大小[1]。此二者均與列車運(yùn)行速度相關(guān)，本項(xiàng)目最大時(shí)速為200 km，小于高速鐵路規(guī)范的250～350 km/h的適用速度。

一般簡支梁橋墩的通用設(shè)計(jì)面向多種不同基礎(chǔ)形式及千變?nèi)f化的地質(zhì)情況，假定不同的基礎(chǔ)及地質(zhì)資料進(jìn)行剛度計(jì)算，工作量過于龐大且不一定能夠得到統(tǒng)計(jì)意義上的較優(yōu)結(jié)果。根據(jù)常規(guī)做法，按照“橋墩自身墩頂位移”占“橋墩與基礎(chǔ)引起墩頂總位移”比值的方式來確定橋墩自身的墩頂線剛度。本設(shè)計(jì)取橋墩位移占總位移40%，即橋墩墩頂線剛度不小于700 kN/cm。

6　折角計(jì)算原則

橫向折角按照在ZC活載、橫向搖擺力、離心力風(fēng)力和溫度作用下，墩頂橫向水平位移引起的梁端水平折角不大于1.0‰弧度設(shè)計(jì)。即對(duì)于(31.5+31.5)m跨度組合時(shí)橫向位移限值為16.35 mm。值得注意的是，在現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[7]及時(shí)速250 km、350 km客專暫規(guī)中折角的計(jì)算模式是按照左右相鄰橋墩零位移即中間橋墩絕對(duì)位移不得超限值的模式進(jìn)行計(jì)算，而在現(xiàn)行《高速鐵路規(guī)范》中為左右相鄰橋墩發(fā)生位移即中間橋墩為相對(duì)位移的計(jì)算模式。前一種計(jì)算方法為將有關(guān)荷載按照最不利組合后作用于某個(gè)確定的橋墩，其橫向總位移不得超過限值，而對(duì)于后者而言，則調(diào)整為將可能同時(shí)發(fā)生的荷載按最不利原則作用于相鄰三個(gè)橋墩，當(dāng)中間橋墩位移與兩側(cè)相鄰橋墩位移差不大于限值時(shí)即可滿足要求。前者的計(jì)算方式簡便，但較為籠統(tǒng)、與實(shí)際情況存在一定差異，后者則符合了實(shí)際狀態(tài)，但是計(jì)算時(shí)要分析可能同時(shí)發(fā)生的荷載，需對(duì)相鄰橋墩的各種不利情況進(jìn)行組合，計(jì)算較復(fù)雜。

7　車橋耦合分析

設(shè)計(jì)還選取代表性的墩高、基礎(chǔ)形式、地層資料和典型工況對(duì)橋墩進(jìn)行了車橋耦合分析。計(jì)算采用CRH6型車、阻尼比2%(如表1所示)。

表1　(6×32 m+24 m+5×32 m)墩高14 m曲線簡支梁橋車橋動(dòng)力分析結(jié)果匯總

分析結(jié)果表明，各工況下橋梁動(dòng)力響應(yīng)均滿足要求；各車的車體豎、橫向振動(dòng)加速度滿足限值要求；列車行車安全性滿足要求；列車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

8　頂帽實(shí)體分析

常規(guī)橋墩設(shè)計(jì)時(shí)控制墩頸尺寸的一個(gè)重要因素是支座位置。支座底板置于墩頸輪廓以內(nèi)時(shí)，托盤頂帽受力以豎直受壓為主，受力較為簡單，托盤頂帽僅配置水平鋼筋起局部承壓作用即可。本設(shè)計(jì)墩身尺寸較小，出現(xiàn)了支座底板懸出墩頸范圍的現(xiàn)象(如圖2所示)。為了摸清此時(shí)頂帽受力狀態(tài)，對(duì)頂帽進(jìn)行了實(shí)體模型分析。

圖2　支座懸出墩頸示意

根據(jù)實(shí)體模型分析結(jié)果及受力趨勢(shì)分析，頂帽頂部開槽表面處存在較大的橫橋向正應(yīng)力，托盤橫橋向兩端存在一定豎向剪應(yīng)力。

支座懸出墩頸，但懸出距離有限(小于50 cm)，此時(shí)頂帽受力不屬于軸心受壓，采用受彎構(gòu)件理論計(jì)算也差異較大。根據(jù)無腹筋混凝土簡支梁斜截面破壞試驗(yàn)研究結(jié)果[8]，當(dāng)剪跨比小于1時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞形式為斜壓破壞，即加載點(diǎn)與支點(diǎn)間出現(xiàn)斜裂縫。隨著荷載增大，出現(xiàn)若干條大體平行的斜裂縫，類似于混凝土棱柱體被壓壞的情況。本設(shè)計(jì)橋墩頂帽托盤高度為3.5 m，剪跨比小于1，故支座與托盤混凝土主要承受斜向壓力，而頂帽頂面鋼筋則承擔(dān)拉力。配筋參照“撐桿-系桿”體系進(jìn)行計(jì)算。另外，托盤頂帽內(nèi)還配置了斜筋。

9　附屬設(shè)施

為了便于檢查及維護(hù)，墩頂設(shè)置吊籃，吊籃采用半圍式，不設(shè)圍欄。吊籃步板至梁底距離一般不小于1.2 m，以保證維護(hù)人員操作空間。頂帽預(yù)埋件應(yīng)沿結(jié)構(gòu)表面徑向設(shè)置，否則頂帽模板預(yù)留孔要相應(yīng)增大且不利于脫模。

墩頂與梁部間設(shè)置檢查梯。簡支梁端部錨具較多，梁端預(yù)埋螺栓時(shí)應(yīng)與梁圖錨具核對(duì)，注意避讓。其次簡支梁在活載及溫度力等荷載作用下會(huì)發(fā)生一定位移，檢查梯與橋墩的連接形式宜采用栓接，以適應(yīng)梁部變形。

[1]鐵建設(shè)[2007]47號(hào)JTB10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S]

[2]鐵建設(shè)[2007]47號(hào)GB50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]鐵建設(shè)[2007]47號(hào)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]

[4]無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[5]鐵建設(shè)[2005]140號(hào)新建時(shí)速200～250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[6]鐵建設(shè)[2005]140號(hào)新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[7]TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]

[8]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，1996