梁　磊

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

?

客貨共線大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)分析

梁磊

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

Analysis of Passenger and Freight Railway Long-span Pre-stressed Concrete Portal Pier Design

LIANG Lei

摘要以東北某跨管線框架墩為例，對預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩整體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，對不同基礎(chǔ)剛度條件下荷載引起的內(nèi)力進(jìn)行對比分析，并對預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞鐵路橋梁框架墩預(yù)應(yīng)力混凝土基礎(chǔ)剛度

1概述

框架墩在布置上非常靈活，在經(jīng)濟(jì)上和工期上有一定優(yōu)勢，當(dāng)線路需要跨越鐵路干線、高等級道路或管線等情況下，不可避免地需要采用框架墩。根據(jù)材料不同可將框架墩分為兩種：預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁框架墩和鋼橫梁框架墩?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素、后期維護(hù)及景觀效果，在滿足施工條件情況下，應(yīng)優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁框架墩。

從結(jié)構(gòu)類型上，根據(jù)橫梁和立柱連接方式不同可將預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩分為橫梁與立柱鉸接，橫梁與立柱固接，橫梁與立柱先鉸接后剛接三種。

1.1預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁與立柱鉸接

橫梁下方設(shè)置支座，此種連接方式，受力模式較為明確，橫梁通過支座僅向立柱傳遞豎向力和少部分水平力，立柱為承受以豎向荷載為主的壓彎構(gòu)件。采用簡支結(jié)構(gòu)假設(shè)簡單，不存在體系轉(zhuǎn)換，但此種連接方式下，上部結(jié)構(gòu)主梁與框架墩橫梁鉸接，后橫梁與框架墩立柱鉸接，結(jié)構(gòu)整體性較差，后期支座檢查工作復(fù)雜。且框架墩立柱不參與彎矩分配，橫梁跨中位移、彎矩較大，混凝土立柱對整體豎向剛度沒有貢獻(xiàn)，造成所需框架墩橫梁剛度較大，橫梁高度大，故此種連接方式框架墩雖設(shè)計(jì)簡單，但較少采用。

1.2預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁與立柱固接

橫梁在梁端部與混凝土立柱固結(jié)形成整體，減小了預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁的跨中位移和彎矩，混凝土立柱對整體豎向剛度有貢獻(xiàn)，有利于橫梁結(jié)構(gòu)高度的降低。立柱參與整體共同受力，需配置較強(qiáng)的普通鋼筋。和第一種連接方式相比，橫梁結(jié)構(gòu)高度減小，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于鉸接方式。

1.3預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁與立柱先鉸接后剛接(橫梁預(yù)制)

立柱施工至某一高度，在立柱頂端設(shè)置臨時(shí)支座，并留有后澆段，橫梁吊裝就位。完成上部結(jié)構(gòu)施工后設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋與立柱固結(jié)，并澆筑后澆段，實(shí)現(xiàn)墩梁固結(jié)。與一次固結(jié)方式相比，此種方法存在體系轉(zhuǎn)換，雖然能降低立柱頂?shù)膹澗兀瑴p小立柱截面和配筋量，但施工工序較為復(fù)雜，且豎向預(yù)應(yīng)力筋施工質(zhì)量難以保證。

設(shè)計(jì)中需根據(jù)荷載、施工條件等綜合考量。本項(xiàng)目選定橫梁與立柱連接方式。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1橋墩概況

該框架墩為吉琿線吉林樞紐西環(huán)線九站特大橋跨越中石油的天然氣管道及成品油管道設(shè)置。線路設(shè)計(jì)速度：客車120 km/h，貨車80 km/h。框架墩處線路情況為有砟軌道，單線、直線無聲屏障地段。橋址處地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

2.2結(jié)構(gòu)描述

框架墩橫向計(jì)算跨度為23 m，橫梁總長為26.1 m。橫梁截面頂面寬4 m，底面寬3.4 m，高2.8 m。立柱截面為2.8 m×2.5 m，設(shè)置0.25 m圓角，墩高為15.5 m，橫梁及立柱截面如圖1所示。橫梁上部架設(shè)32 m單線簡支T梁，框架墩橫梁頂平面布置如圖2所示，上部結(jié)構(gòu)作用在橫梁跨中附近，兩片T梁間的橫向支座中心距為2.2 m。為滿足架橋機(jī)架橋需要，框架墩橫梁左右兩側(cè)各增加0.7 m(寬)×2 m(長)×2 m(高)。橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力筋一次張拉，立柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用橫梁、立柱固結(jié)形式。

圖1　橫梁與立柱斷面(單位：mm)

圖2　框架墩墩頂平面布置(單位：mm)

2.3結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用MIDAS Civil2015建立空間梁單元有限元模型，采用B89程序計(jì)算出下部結(jié)構(gòu)剛度后，以節(jié)點(diǎn)彈性支承形式加載模型邊界條件，各荷載工況按照實(shí)際位置施加。橫梁和立柱共離散為52個(gè)梁單元，圖3為所建立的模型。

圖3　框架墩計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際受力情況計(jì)算，采用的荷載組合如下。

組合1:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降;

組合2:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風(fēng)荷載+制動(dòng)力+升溫+日照溫差;

組合3:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風(fēng)荷載+制動(dòng)力+降溫+日照溫差;

組合4:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風(fēng)荷載+制動(dòng)力+升溫;

組合5:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風(fēng)荷載+制動(dòng)力+降溫;

組合6:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風(fēng)荷載+升溫+日照溫差;

組合7:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風(fēng)荷載+降溫+日照溫差;

組合8:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風(fēng)荷載+升溫;

組合9:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風(fēng)荷載+降溫;

組合10:恒載+兩股鋼軌伸縮力;

組合11:恒載+一股鋼軌伸縮力+另一股鋼軌斷軌力。

(1)不同基礎(chǔ)剛度條件下結(jié)構(gòu)彎矩分析

為保證結(jié)構(gòu)安全、耐用，設(shè)計(jì)橫梁時(shí)，基礎(chǔ)剛度采用程序計(jì)算出的剛度，設(shè)計(jì)立柱配筋、樁長和樁基配筋時(shí)采用基礎(chǔ)剛度的3倍。表1、表2為基礎(chǔ)剛度分別為1倍與3倍時(shí)各主要荷載引起的結(jié)構(gòu)彎矩。

對比表1、表2可知，采用3倍基礎(chǔ)剛度時(shí)，由結(jié)構(gòu)自重、T梁自重、二期荷載、列車活載、橫向風(fēng)力引起的橫梁跨中彎矩與1倍基礎(chǔ)剛度下的跨中彎矩相比均減小。

表1　1倍基礎(chǔ)剛度下各荷載作用引起的結(jié)構(gòu)彎矩　kN·m

表2　3倍基礎(chǔ)剛度下各荷載作用引起的結(jié)構(gòu)彎矩　kN·m

對于鋼筋混凝土立柱，與1倍基礎(chǔ)剛度下的彎矩相比，3倍基礎(chǔ)剛度下各荷載作用引起的柱頂、柱底處彎矩均增大。由結(jié)構(gòu)自重、T梁自重、二期荷載、列車活載、頂?shù)装鍦囟萒度引起的柱底處彎矩為1倍基礎(chǔ)剛度下墩底彎矩的4倍左右。由整體升降溫引起的柱底彎矩為1.74倍，由立柱基礎(chǔ)不均勻沉降引起的墩底彎矩為1.14倍。可見基礎(chǔ)剛度對框架墩橫梁與立柱固結(jié)處及柱底處彎矩影響很大。

采用1倍基礎(chǔ)剛度時(shí)，立柱基礎(chǔ)不均勻沉降和溫度力作用引起的柱頂彎矩占柱頂處總彎矩的28%，引起的柱底彎矩占柱底處總彎矩的82%左右。采用3倍基礎(chǔ)剛度時(shí)，立柱基礎(chǔ)不均勻沉降和溫度力引起的柱頂彎矩占柱頂處總彎矩的30%，立柱基礎(chǔ)不均勻沉降和溫度力引起的柱底彎矩占墩底處總彎矩的81%?？梢娏⒅A(chǔ)不均勻沉降和溫度力對框架墩橫梁與立柱固結(jié)處及墩底處彎矩影響很大。

(2)橫梁計(jì)算結(jié)果及分析

框架墩橫梁為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，計(jì)算采用1倍基礎(chǔ)剛度各荷載組合下的橫梁截面計(jì)算結(jié)果。由豎向靜活載引起的橫梁跨中處撓度為-1.929 mm，考慮活載沖擊系數(shù)時(shí)撓度為-2.315 mm，靜活載撓度為橫梁跨度的1/9 935，滿足規(guī)范要求。

運(yùn)營階段橫梁各工況下截面安全系數(shù)如表3所示。

表3　橫梁正截面強(qiáng)度檢算結(jié)果

運(yùn)營階段橫梁各工況下截面抗裂系數(shù)如表4所示。

表4　橫梁截面抗裂系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，主力作用下橫梁各截面均未出現(xiàn)混凝土拉應(yīng)力，最大混凝土壓應(yīng)力為6.97 MPa。主加附狀態(tài)下，各截面均未出現(xiàn)混凝土拉應(yīng)力，最大混凝土壓應(yīng)力為8.37 MPa。

(3)立柱計(jì)算結(jié)果及分析

采用3倍基礎(chǔ)剛度下立柱各截面內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算。本設(shè)計(jì)框架墩橫梁預(yù)應(yīng)力筋一次張拉完成所有鋼束，立柱頂端彎矩大，豎向力小，截面配筋控制工況為張拉預(yù)應(yīng)力筋階段，控制截面為墩頂截面。主筋采用直徑25 mm螺紋鋼筋，鋼筋最大拉應(yīng)力為151.5 MPa，計(jì)算得混凝土裂縫為0.12 mm。

(4)基礎(chǔ)計(jì)算

根據(jù)MIDAS計(jì)算所得承臺(tái)底反力，采用B89程序進(jìn)行群樁設(shè)計(jì)。樁基采用6根1 m樁基，樁長為29 m，主加附工況下控制樁長，最大樁頭力為3 795 kN。承臺(tái)尺寸為5.1 m(寬)×7.8 m(長)×2.5 m(高)。承臺(tái)滿足剛性角，配筋滿足構(gòu)造要求即可。

3設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸

框架墩尺寸往往受到所跨鐵路干線或高等級道路限界限制，除此之外還需考慮支座在框架墩橫梁的位置、左右立柱的高差、橫梁預(yù)應(yīng)力布置及美觀等因素。采用橫梁與立柱固結(jié)方式時(shí)，還要重點(diǎn)考慮選取合理的橫梁和立柱剛度比，否則就會(huì)帶來預(yù)應(yīng)力配筋困難，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形較大，安全系數(shù)過大、過小等問題。如果假定尺寸達(dá)不到理想效果，應(yīng)重新調(diào)整截面尺寸和基礎(chǔ)參數(shù)，直至得到滿意的效果為止。

3.2確定計(jì)算荷載

框架墩橫梁，立柱，樁基的設(shè)計(jì)荷載包括恒載、列車活載及溫度力等。預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩為超靜定結(jié)構(gòu)，立柱基礎(chǔ)不均勻沉降對框架墩橫梁與立柱固結(jié)處及墩底彎矩值影響很大。為保證結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用柱樁基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)不均勻沉降按5 mm計(jì)算，采用鉆(挖)孔樁基礎(chǔ)時(shí)，不均勻沉降按10 mm計(jì)算。

3.3預(yù)應(yīng)力布置

預(yù)應(yīng)力鋼束一般布置為2～3層，轉(zhuǎn)折點(diǎn)布置于支座附近。為保證下層預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)，即使混凝土迸裂，也不會(huì)對上層預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生影響，下層預(yù)應(yīng)力鋼束圓弧的起止點(diǎn)設(shè)在上層預(yù)應(yīng)力束起止點(diǎn)的靠近橫梁兩端側(cè)。值得一提的是框架墩橫梁重量較小的情形，施工過程中，上部結(jié)構(gòu)架設(shè)前，若預(yù)應(yīng)力束采取一次張拉的方式，則立柱頂端彎矩過大，豎向力太小，造成立柱配筋困難。因此多采用分批張拉的方式，在上部結(jié)構(gòu)架設(shè)前，張拉一批預(yù)應(yīng)力束，架設(shè)完成后，張拉余下的預(yù)應(yīng)力束。考慮運(yùn)架梁情況(運(yùn)架梁荷載較大)，為保證運(yùn)梁車可連續(xù)工作，而不是架完一孔梁后等待張拉第二批預(yù)應(yīng)力筋，應(yīng)盡量在滿足立柱配筋要求的情況下，預(yù)應(yīng)力束一次張拉或第一批多張拉一些。預(yù)應(yīng)力筋的布置需經(jīng)過多次試算，以達(dá)到最合理利用。

3.4邊界條件的處理

框架墩為超靜定結(jié)構(gòu)，對基礎(chǔ)約束條件非常敏感。若模型基礎(chǔ)剛度大于實(shí)際剛度，則橫梁分配彎矩小于實(shí)際彎矩，橫梁設(shè)計(jì)偏不安全。反之立柱、基礎(chǔ)分配彎矩小于實(shí)際彎矩，立柱、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏不安全。因此，應(yīng)準(zhǔn)確模擬基礎(chǔ)實(shí)際剛度。檢算立柱和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，在此基礎(chǔ)上對剛度取值乘以一個(gè)系數(shù)，以便使立柱和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全、耐久。同時(shí)根據(jù)框架墩所在處的地質(zhì)情況，計(jì)算出各地層地基系數(shù)m值取最大、最小值時(shí)得到的基礎(chǔ)剛度，與模型計(jì)算取值進(jìn)行對比后取最合理值。

3.5立柱配筋

6度以上的地震區(qū)，立柱配筋計(jì)算需考慮地震作用。多遇地震作用下，橋墩抗震計(jì)算可采用反應(yīng)譜法。罕遇地震作用下可按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄中簡化方法進(jìn)行計(jì)算，延性驗(yàn)算應(yīng)滿足下式要求[5]

式中μu——非線性位移延性比；

[μu]——允許位移延性比，取值為4.8；

Δmax——橋墩的非線性響應(yīng)最大位移；

Δy——橋墩的屈服位移。

橋墩塑性鉸區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)箍筋配置，加強(qiáng)區(qū)高度不應(yīng)小于彎曲方向截面高度的2倍，當(dāng)塑性鉸區(qū)域位于橋墩底部時(shí)，加強(qiáng)區(qū)高度為截面高度，當(dāng)墩高與截面高度的比值小于2.5時(shí)，應(yīng)對所有截面進(jìn)行加強(qiáng)[5]。

4結(jié)束語

綜上所述，在框架墩設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)根據(jù)工程需要選用合理的框架墩形式，確定合理的跨徑。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，初擬橫梁、立柱截面尺寸和基礎(chǔ)布置方式，選用1 種以上有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算，經(jīng)過求解后，評判初擬尺寸是否合理，然后對結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力束的布置、立柱配筋、基礎(chǔ)形式等進(jìn)行精調(diào)。

參考文獻(xiàn)

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

[2]TB10002.3—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]

[3]TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]TB10002—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5]GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2009版)[S]

[6]張士基.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].鐵道勘察，2014(1)

[7]萬明.剛度在框架墩計(jì)算中的影響[J].鐵道勘察，2014(6)

[8]萬明.中低速磁懸浮小半徑框架墩連續(xù)梁體系設(shè)計(jì)與研究[J].鐵道勘察，2010(5)

[9]張明欣.大跨徑框架墩在跨線橋中的應(yīng)用[J].公路，2009(7)

[10]孟慶濤.山西中南部鐵路斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察，2013(5)

[11]TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

中圖分類號：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2016)01-0099-04

作者簡介：梁磊(1986—)，女，2010年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-12-11