鄒 蕾
(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)
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既有鐵路病害路基改橋梁設(shè)計
鄒蕾
(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京102600)
某高填路基出現(xiàn)裂縫、下沉外鼓,存在較大的安全隱患。為保障行車安全,將病害路基改為簡支橋梁,且要滿足在不中斷鐵路運營情況下的施工。采用鋼筋混凝土框架式橋墩,既有路基兩側(cè)設(shè)樁基礎(chǔ),用MIDAS空間分析程序與鐵路橋梁軟件HRBD程序?qū)蚨张c基礎(chǔ)進行設(shè)計計算。
病害路基改橋梁安全框架墩
既有鐵路一段路基位于水庫區(qū),為高填路基形式,路基一側(cè)為裸露的巖石山體,另一側(cè)為臨近水庫的線路護坡,受水庫蓄放水影響,線路路基出現(xiàn)裂縫、下沉外鼓,向水庫側(cè)滑移,幾何尺寸難以保持,常出現(xiàn)嚴重晃車。對2007年至2011年觀測數(shù)據(jù)進行分析對比:年下沉量約4~7 mm(其中8~9月份下沉約4 mm),累計下沉約35 mm。在水庫蓄放水及強降雨等不利條件影響下病害會加劇發(fā)展,極易引起路基大面積滑移、坍塌,危及行車安全。
為保障鐵路運輸安全,根治病害,將本段路基改為橋梁,上部結(jié)構(gòu)采用(1-16+1-24+1-16) m后張法預應(yīng)力混凝土簡支T梁。為滿足不間斷鐵路運營及施工要求,下部基礎(chǔ)1、2號橋墩設(shè)計為鋼筋混凝土框架式橋墩,橫梁尺寸為10.6 m×3.2 m×2.0 m,為布置樁基需要,兩端2.6 m范圍內(nèi)加寬至5.8 m(稱作承臺),每墩設(shè)4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁,每端2根,布置在既有路基兩側(cè)。兩橋臺采用T形橋臺,下接框架式橫梁,設(shè)4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。
3.1地質(zhì)狀況
地勘揭露,場地內(nèi)自上而下為素填土(路基填料)、粗砂、礫巖。地下水位受水庫的影響,變化較大。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2001),橋址區(qū)地震動峰值加速度0.15g,相當于地震基本烈度7度,地震動反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為二區(qū),場地土為中軟土和基巖,為Ⅱ類場地。最大凍結(jié)深度為0.5 m。
3.2設(shè)計荷載及組合
(1)恒載(γ取25 kN/m3)
包括上部的梁重及二期恒載:二期恒載重量包括鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層、混凝土基座等線路設(shè)備,以及防水層、保護層、人行道欄桿或聲屏障、遮板、防護墻、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設(shè)施重量。恒載合計為2 810 kN。[1]
(2)混凝土收縮徐變
此處計算不考慮混凝土收縮徐變的影響。
(3)列車豎向靜活載
采用中-活載。
(4)沖擊系數(shù)計算
式中Lφ——結(jié)構(gòu)的計算跨度/m。
(5)橫向搖擺力:列車橫向搖擺力為活載主力,取100 kN,作為一個集中活載作用于橋梁結(jié)構(gòu)最不利位置,其作用點在垂直線路中線的鋼軌頂面。
(6)制動力或牽引力
按列車豎向靜活載的10%計算。
(7)地震力
按《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)2009年版規(guī)定計算[5]。
3.3設(shè)計荷載組合
主力:自重+梁重+二期恒載+列車活載+橫向搖擺力
主+附:自重+梁重+二期恒載+列車活載+橫向搖擺力+制動力
3.4材料
(1)混凝土:橫梁及樁基均采用C30混凝土。
(2)普通鋼筋分別采用HPB300(fsk=300 MPa)和HRB400(fsk=40 MPa)鋼筋作為受力鋼筋。
3.5結(jié)構(gòu)計算
采用MIDAS空間分析程序計算內(nèi)力[11],用鐵路橋梁軟件HRBD程序[10]進行配筋驗算,以2號墩為例進行各項計算。
(1)構(gòu)造尺寸
2號墩設(shè)計為鋼筋混凝土框架式橋墩,橫梁尺寸為10.6 m×3.2 m×2.0 m,為布置樁基需要,兩端各2.6 m范圍內(nèi)加寬至5.8 m,布置2根直徑1.5 m鉆孔樁。1號墩只是Lp=16 m側(cè)支承墊石高度為54.32 cm,其余尺寸均與2號墩相同(如圖1、圖2所示)。
圖1 2號橋墩立面(單位:cm)
圖2 2號橋墩平面(單位:cm)
(2)計算模型
橫梁及樁基均采用梁單元,共計94個單元,101個節(jié)點。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料,靠近山體側(cè)樁長15 m,靠近水邊一側(cè)樁長25 m。樁基與承臺連接采用剛性連接,樁底固結(jié)。樁基與土層之間的作用通過設(shè)立橫向和縱向土彈簧來模擬[12],等代土彈簧的剛度ks=abpmZ,其中,a為土層的厚度,bp為土層的寬度,Z為土層的深度。根據(jù)地質(zhì)資料,上層粉質(zhì)黃土m值取8 000 kPa/m2,土層厚度18 m,下層礫巖m值取80 000。每1 m設(shè)置1個土彈簧支撐,土層厚度為1 m,隨著土層的深度增加,ks增大,各土彈簧對應(yīng)的ks值如表1、表2所示。
(3)下部結(jié)構(gòu)整體剛度
給模型分別施加順橋向及橫橋向的集中力,計算單位力作用下產(chǎn)生的位移,從而得出順橋向的剛度為4 166.7 kN/cm,橫橋向剛度6 666.7 kN/cm。
表1 樁土彈簧對應(yīng)的ks值(15 m樁長)
(4)成橋狀態(tài)檢算
表2 樁土彈簧對應(yīng)的ks值(25 m樁長)
橫梁抗彎檢算:給模型施加荷載,分別考慮在單孔重載及雙孔重載兩種最不利情況下,通過MIDAS得出主力和主力+附加力兩種荷載組合情況下的內(nèi)力,用HRBD程序按矩形實心截面雙向偏心受壓進行配筋計算(鋼筋中心保護層厚7 cm),結(jié)果如圖3、表3~表6所示。
圖3 HRBD程序橫梁配筋檢算參數(shù)設(shè)置
通過配筋檢算可知,在雙孔重載情況下,主力作用下計算結(jié)果最不利,橫梁底配直徑28 mm的鋼筋,間距不大于10 cm布置能滿足要求,但富余值較小,所以為安全考慮,采用直徑30 mm鋼筋,間距10 cm布置;橫梁頂及兩側(cè)配直徑16 mm的鋼筋,間距10 cm布置。
表3 單孔重載情況下MIDAS計算橫梁內(nèi)力結(jié)果
表4 單孔重載情況下HRBD程序檢算應(yīng)力結(jié)果 MPa
表5 雙孔重載情況下MIDAS計算橫梁內(nèi)力結(jié)果
表6 雙孔重載情況下HRBD程序檢算應(yīng)力結(jié)果 MPa
橫梁抗剪計算:提取MIDAS計算結(jié)果中橫梁與承臺相連位置處的剪力,進行剪應(yīng)力驗算。
表7 橫梁剪力檢算結(jié)果
結(jié)論:抗剪最不利截面上中性軸處的剪應(yīng)力均小于0.73 MPa,說明橫梁只需按構(gòu)造要求配置箍筋即可。
樁基配筋計算:樁基配筋擬定為直徑20 mm的鋼筋,間距20 cm布置。按圓形截面偏心受壓&偏心受拉構(gòu)件進行計算。計算結(jié)果如圖4及表8~表13所示。
圖4 樁基配筋檢算參數(shù)設(shè)置
表8 單孔重載情況下MIDAS計算內(nèi)力結(jié)果
表9 單孔重載情況下HRBD程序計算應(yīng)力結(jié)果(主力作用下)
表10 單孔重載情況下HRBD程序計算內(nèi)力結(jié)果(主力+附加力作用下)
表11 雙孔重載情況下MIDAS計算內(nèi)力結(jié)果
表12 雙孔重載情況下HRBD程序計算應(yīng)力結(jié)果(主力作用下)
表13 雙孔重載情況下HRBD程序計算內(nèi)力結(jié)果(主力+附加力作用下)
由計算結(jié)果可知,對柱樁配直徑20 mm通長的鋼筋,間距20 cm能滿足要求。為滿足規(guī)范規(guī)定的最小配筋率(0.5%)要求,對樁基配以直徑20 mm通長鋼筋,間距12.9 cm。
(5)施工移梁過程計算
分別以集中力模擬梁作用在從承臺中間移動到橫梁跨中,如圖5所示,梁分別位于1、2、3、4、5、6、7、8、9九個位置時(即梁分別從水邊側(cè)開始移梁和從山體側(cè)開始移梁兩種情況均考慮在內(nèi)),用MIDAS計算橫梁及樁基內(nèi)力,用HRBD程序進行配筋驗算。
圖5 以靜荷載模擬移梁過程,假定梁所處的位置
橫梁主筋驗算:通過MIDAS得出恒載分別與梁位于不同位置的荷載組合情況下的內(nèi)力,從提取內(nèi)力看,梁位于承臺上時最不利。進行配筋驗算,橫梁底需配直徑20 mm主筋,按間距10 cm布置;底及兩側(cè)配直徑16 mm鋼筋,也按10 cm間距布置即可。
表14 橫梁不同位置剪力檢算
由計算結(jié)果可知,抗剪最不利截面上中性軸處的剪應(yīng)力均小于0.73 MPa,說明橫梁只需按構(gòu)造要求配置箍筋即可。
樁基配筋計算:以上述擬定的樁基配筋(直徑20 mm通長的鋼筋,間距20 cm)進行計算可知,移梁過程中,樁基配筋不控制,擬定的鋼筋布置形式滿足要求。
(1)橫梁底鋼筋直徑φ30 mm,間距10 cm布置,頂及兩側(cè)鋼筋直徑φ16 mm,間距10 cm布置,凈保護層7 cm;箍筋按構(gòu)造要求布置。
(2)樁基鋼筋直徑φ20 mm,間距12.9 cm布置,主筋中心至混凝土邊緣9.2 cm。
(3)采用鋼筋混凝土框架式橋墩,在既有路基兩側(cè)分設(shè)樁基,能滿足在不間斷鐵路運營的情況下,將路基改造為橋梁,避開路基病害,保障鐵路運輸安全。
[1]TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]
[2]TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]
[3]GB50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]
[4]GB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]
[5]GB50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S]
[6]李喬.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京:中國鐵道出版社,2004
[7]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001
[8]韓斌.既有線200 km/h提速改造工程路基處理措施[J].鐵道勘察,2006(2)
[9]魏永幸,左德元.對高速鐵路以橋代路條件及其決策的思考[J].鐵道勘察,2006(2)
[10]邱順東. 橋梁工程軟件midas Civil常見問題解答[M].北京:人民交通出版社,2009
[11]鐵道第三勘察設(shè)計院.橋涵地基和基礎(chǔ)[M].北京:中國鐵道出版社,2002
Design of the Bridge Instead of the Railway Sub-Grade Diseased
ZHOU Lei
2016-01-13
鄒蕾(1980—),女,2009年畢業(yè)于西南交通大學橋梁與隧道專業(yè),碩士,工程師。
1672-7479(2016)02-0092-05
U442.5
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