王樹(shù)旺

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)院，北京 102600)

新型鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

王樹(shù)旺

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)院，北京 102600)

新建鐵路與既有鐵路以小角度交叉時(shí)，為減小結(jié)構(gòu)跨度、結(jié)構(gòu)高度、施工高度和運(yùn)營(yíng)鐵路上方施工作業(yè)時(shí)間，多采用鋼橫梁混凝土立柱組合框架墩結(jié)構(gòu)。以連鹽線(xiàn)跨越既有隴海鐵路為工程實(shí)踐，分析控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)及鋼橫梁的預(yù)拱度設(shè)置，介紹鋼橫梁與混凝土立柱先鉸結(jié)后剛接的體系轉(zhuǎn)換形式，創(chuàng)新地提出新型臨時(shí)支撐—鋼球鉸的理念，闡述墩梁結(jié)合處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)。

鐵路橋；鋼混組合結(jié)構(gòu)；框架墩；鋼球鉸；體系轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)；施工

1 概述

新建鐵路與既有線(xiàn)斜交時(shí)，一般采取的跨越形式一種為框架墩，另一種采用大跨橋梁一跨跨越，如斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)、簡(jiǎn)支或連續(xù)鋼桁等。大跨徑橋梁跨越方式，雖然對(duì)既有線(xiàn)安全運(yùn)營(yíng)影響較小，但投資一般都比較大，而且在小角度跨越時(shí)，從美學(xué)角度上看并不美觀(guān)[1]，因此，在方案比選時(shí)優(yōu)勢(shì)較小。而采用鋼橫梁混凝土立柱結(jié)構(gòu)跨越，可保證上部結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，下部結(jié)構(gòu)布置靈活，最大限度降低結(jié)構(gòu)高度，且鋼橫梁為工廠(chǎng)預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，一次吊裝，工期短、易施工，能大大減小對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)干擾[2]。

2 工程概況

連鹽線(xiàn)鐵路等級(jí)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)，單線(xiàn)，設(shè)計(jì)速度200 km/h。連鹽新沭河特大橋在里程 DK052+685.8 處與既有隴海、鹽東鐵路相交，交角僅20°，為避免施工中影響既有鐵路的運(yùn)營(yíng)安全以及降低施工難度，上跨既有線(xiàn)處框架墩采用混凝土立柱、鋼橫梁結(jié)構(gòu)，鋼橫梁采用工場(chǎng)加工、現(xiàn)場(chǎng)吊裝架設(shè)施工方案，框架墩平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 框架墩平面布置(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框架墩為混凝土立柱、鋼橫梁結(jié)構(gòu)，立柱間距為30 m，立柱截面為2.5 m×2.5 m，承臺(tái)平面尺寸5.1 m×5.1 m，厚2.0 m，基礎(chǔ)采用4根φ1.0 m鉆孔灌注樁。框架墩構(gòu)造見(jiàn)圖2。

圖2 框架墩構(gòu)造(單位：cm)

建立Midas模型，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼材容許應(yīng)力要求進(jìn)行試算，擬定鋼橫梁梁高2.856 m，寬2.8 m，上下翼緣鋼板厚28 mm，上下翼緣板內(nèi)側(cè)焊有縱向加勁肋，兩側(cè)腹板內(nèi)側(cè)焊有2道水平加勁肋，橫梁內(nèi)每隔2.7 m左右設(shè)1 道橫隔板，并且在頂梁平臺(tái)及支座位置增設(shè)橫隔板[3]，隔板之間設(shè)豎向加勁肋，水平加勁肋沿全梁通長(zhǎng)，遇有豎向加勁肋處將豎向加勁肋斷開(kāi)，鋼橫梁斷面見(jiàn)圖3。

圖3 鋼橫梁斷面(單位：mm)

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

框架墩墩頂固結(jié)方式一般分一次固結(jié)和先鉸接后固結(jié)兩種。一次固結(jié)是常規(guī)施工方法，工序簡(jiǎn)單、施工方便，架設(shè)鋼橫梁后直接澆筑墩頂連接段混凝土形成永久固結(jié)，然后再架設(shè)簡(jiǎn)支梁、施工二期恒載。一次固結(jié)能減小橫梁上主梁支座處的最大彎矩，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性要求，且能更好地保證結(jié)構(gòu)的整體性、抗震性和主梁的抗扭性。但這將對(duì)框架墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“主梁自重、二期恒載和列車(chē)活載”三個(gè)階段的內(nèi)力疊加，引起梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)較大的彎矩，直接控制橫梁和立柱設(shè)計(jì)。

為避免加大梁柱截面尺寸或節(jié)點(diǎn)加腋，本橋采用恒載鉸接、活載剛接的計(jì)算模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。施工時(shí)先將鋼橫梁置于柱頂，暫不澆筑節(jié)點(diǎn)混凝土，此時(shí)橫梁與立柱按鉸接計(jì)算；待上部梁跨架設(shè)和二期恒載施工完成后橫梁與立柱進(jìn)行剛接。此時(shí)橫梁立柱柱節(jié)點(diǎn)僅承受列車(chē)活載和溫度變化引起的橫向彎矩，其數(shù)值比梁柱一次固結(jié)時(shí)大幅降低[4]。雖然先鉸接后固結(jié)施工工序相對(duì)較繁瑣，但能有效減小柱頂彎矩，減小立柱截面及配筋量，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯。兩種固結(jié)方式內(nèi)力及應(yīng)力比較如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)固結(jié)方式內(nèi)力、應(yīng)力比較

從表1中可以看出，先鉸接后固結(jié)相對(duì)一次固結(jié)方式橫梁內(nèi)力雖大約20%(隨活載作用位置及橫梁跨度變化而減小)，但墩頂內(nèi)力以及混凝土應(yīng)力比一次固結(jié)小約40%，而鋼筋應(yīng)力更是小了50%之多，立柱尺寸及配筋可得到大大優(yōu)化。

5 計(jì)算結(jié)果

采用Midas軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，考慮基礎(chǔ)剛度等邊界條件，沉降及溫度對(duì)框架墩受力較為敏感[5]，不均勻沉降按0.5 mm考慮，溫度荷載工況為整體升降溫±25 ℃、鋼橫梁升降溫±10 ℃。荷載組合為：主力組合，恒載+活載+搖擺力+離心力+沉降+鋼軌力[6]；主+附組合：恒載+活載+搖擺力+離心力+沉降+鋼軌力+風(fēng)+溫度+制動(dòng)力，分別對(duì)鋼橫梁強(qiáng)度、撓度、穩(wěn)定、疲勞以及下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫、地基承載力等內(nèi)容進(jìn)行檢算[7-9]。

(1)強(qiáng)度計(jì)算

鋼橫梁采用Q345qE鋼材，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鋼橫梁計(jì)算結(jié)果 MPa

(2)預(yù)拱度

框架墩跨度較大，且鋼橫梁較柔，為保障線(xiàn)路平順、列車(chē)穩(wěn)定舒適，橫梁應(yīng)具備一定的剛度，預(yù)拱度按恒載+活載/2設(shè)置[10]，橫梁跨中最大為3.34 cm(向上)，其它位置按拋物線(xiàn)平滑順接。

(3)整體穩(wěn)定

鋼橫梁最大應(yīng)力σ=124.2 MPa<0.9[σw]=180 MPa，整體穩(wěn)定滿(mǎn)足要求。

(4)局部承壓

支座處承受上部較大荷載作用，此處鋼橫梁設(shè)置支座橫隔板及加勁肋，局部壓應(yīng)力σ=N/A=119.5 MPa<0.9[σ]=180 MPa，支座局部承壓滿(mǎn)足要求。

(5)局部穩(wěn)定

(6)疲勞檢算

(7)立柱及基礎(chǔ)

按照荷載組合提取下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力按照偏壓構(gòu)件進(jìn)行墩柱、樁基強(qiáng)度及裂縫檢算，結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

6 新型施工工藝—鋼球鉸

為實(shí)現(xiàn)鋼橫梁與墩柱連接體系轉(zhuǎn)換，一般常規(guī)做法為先立模澆筑墩柱至橫梁底以下1.0m處，墩柱主筋與外包鋼板焊接，然后柱頂鋼板與外包鋼板焊接，待橫梁架設(shè)及二恒鋪設(shè)后澆筑墩柱頂剩余混凝土，此做法的缺點(diǎn)：一是橫梁在恒載作用下會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形，墩頂鋼板需根據(jù)分析計(jì)算設(shè)置一定角度；二是梁柱節(jié)點(diǎn)處彎矩靠外包鋼板承受，實(shí)際計(jì)算很難等效為鋼筋受力；三是鋼橫梁底與柱頂鋼板采用焊接，在活載及溫度反復(fù)作用下焊縫很容易開(kāi)裂受損，對(duì)結(jié)構(gòu)受力及后期維修養(yǎng)護(hù)不利。

本文在對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體球鉸優(yōu)化后，創(chuàng)新提出施工臨時(shí)支撐-鋼球鉸的概念，鋼球鉸下鋼板為一半徑R=3m的圓弧形鋼板，鋼板底面均勻焊接28根N20剪力釘[11]以保障鋼球鉸與立柱頂基座的連接牢靠，鋼橫梁吊裝前完成立柱頂鋼球鉸基座施工并預(yù)埋鋼球鉸。橫梁支腿為鋼球鉸的上鋼板，與鋼橫梁整體焊接、吊裝，鋼球鉸與橫梁支腿形成“點(diǎn)接觸”，球鉸上下圓弧形鋼板能夠自動(dòng)適應(yīng)橫梁在自重和主梁恒載作用下的轉(zhuǎn)角變形[12]，釋放了恒載作用下立柱頂?shù)膹澗兀脖苊饬藢?duì)柱頂傾角的分析和預(yù)留。墩梁固結(jié)處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖4。

圖4 鋼球鉸節(jié)點(diǎn)構(gòu)造(單位：cm)

7 立柱及鋼橫梁施工步驟

因涉及橫梁與墩柱連接體系轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，要求墩梁固接處的混凝土分階段灌注，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。鋼球鉸應(yīng)提前與鋼橫梁焊接好，立模澆筑第一階段混凝土(含鋼球鉸基座)，然后采用吊車(chē)將鋼箱梁吊裝至墩柱上。鋼橫梁下翼緣板對(duì)應(yīng)立柱位置開(kāi)橢圓形小孔及施工孔，T梁架設(shè)就位并且二期恒載施工完成后，短鋼筋從小孔中穿出，與墩柱主筋焊接，澆筑墩頂C50微膨脹混凝土，達(dá)到墩柱與橫梁的恒載鉸接-活載剛接的目的，完成體系轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)诙A段混凝土施工完畢后，墩柱與鋼橫梁剛接，此時(shí)框架墩角隅處只承擔(dān)上部活載產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)，大大減小了墩柱與橫梁的截面尺寸，達(dá)到預(yù)期效果。立柱頂處鋼橫梁底板開(kāi)孔構(gòu)造見(jiàn)圖5，框架墩施工方法見(jiàn)圖6。

圖5 鋼橫梁墩頂處鋼板開(kāi)孔構(gòu)造(單位：mm)

圖6 框架墩施工步驟

8 結(jié)語(yǔ)

鋼橫梁框架墩能有效解決新建鐵路與所跨越鐵路交叉的問(wèn)題，以結(jié)構(gòu)高度小、布置靈活、施工工期短、對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)干擾小，經(jīng)濟(jì)效益顯著。以連鹽鐵路上跨隴海鐵路為例，通過(guò)計(jì)算給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)檢算結(jié)果，對(duì)節(jié)點(diǎn)處一次固結(jié)和先鉸接后固結(jié)方案進(jìn)行了論證，總結(jié)出先鉸接后固結(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，并創(chuàng)新提出梁柱節(jié)點(diǎn)施工臨時(shí)支撐-鋼球鉸的概念，優(yōu)化了立柱截面尺寸及配筋，大大降低了梁柱節(jié)點(diǎn)處施工難度，減小了運(yùn)營(yíng)階段角隅處應(yīng)力，避免了采用外包鋼板等其他連接方式造成的梁柱設(shè)計(jì)過(guò)強(qiáng)及梁柱結(jié)合處開(kāi)裂現(xiàn)象。

[1]張明欣.大跨徑框架墩在跨線(xiàn)橋中的應(yīng)用[J].公路，2009(7):99-101.

[2]張世基.重載鐵路大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)實(shí)例分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(1):101-104.

[3]郝麗維.津?yàn)I輕軌先鉸接后剛接的鋼-混凝土混合框架墩設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(8):72-73.

[4]李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.

[5]田萬(wàn)俊.預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(8):67-69.

[6]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10015—2012鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[7]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[8]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[9]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[10]吳偉宏，薛芳.鋼橫梁混凝土立柱組合門(mén)式墩設(shè)計(jì)與施工[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2013(6):121-123.

[11]商耀兆.天津西南環(huán)線(xiàn)鐵路鋼橫梁框架墩設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2013(1):14-16.

[12]金振山.大跨度鋼混組合框架墩設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)鐵路，2010(6):42-45.

Design and Construction of New Type of Railway Steel Beam Frame Pier

WANG Shu-wang

(Bridge Designing Institute of China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co. Ltd.， Beijing 102600， China)

Composite frame pier structures with steel beam and concrete column are often adopted where a new line is crossing over the existing railway at a small angle to reduce the span and height of the structure， the construction height， shorten the time for construction over the operating railway line. With reference to Lian-Yan Line (Lianyungang-Yancheng) crossing over the existing Longhai Railway (Lanzhou-Lianyungang)， this paper analyzes the indexes of structure design and the camber setting of steel beam， addresses the system transformation between the steel beam and concrete column， i.e.， from hinging to rigid connection， and puts forward a creative temporary supporting concept of steel ball hinge， and details on the joint where the pier and the beam are connected and some key construction technologies.

Railway bridge; Steel concrete composite structure; Frame pier; Steel ball hinge; System transformation; Design; Construction

2014-12-25；

2015-01-06

王樹(shù)旺(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：172543602@qq.com。

1004-2954(2015)09-0083-04

U443.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.019