歷付
(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308)
隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè),新建線路越來越多,導(dǎo)致新建線與既有線交叉跨越的情況不斷出現(xiàn),尤其是上跨線路與既有線交叉角度較小,跨越時與既有線重疊面積較大,無法實(shí)現(xiàn)直接跨越。而既有線運(yùn)營繁忙,可提供的有效作業(yè)時間非常少,國內(nèi)外客貨共線鐵路、客運(yùn)專線及城際鐵路采用框架墩形式跨越既有線的應(yīng)用較多,框架墩橫梁及主梁基本為小跨度結(jié)構(gòu),高立柱、大跨度鋼橫梁墩上設(shè)跨度24 m 雙線簡支箱梁的框架墩結(jié)構(gòu)在時速350 km 高速鐵路尚無應(yīng)用實(shí)例[1-3]。因此,研究采用鋼橫梁框架墩結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高速鐵路橋梁安全順利跨越,保證了行車安全,解決了施工難題,具有很好的推廣意義。商合杭高鐵商丘特大橋和亳州特大橋跨越既有線均采用大跨度框架墩形式(見圖1),為滿足既有線快速施工需求,框架墩橫梁采用鋼結(jié)構(gòu),吊裝施工。以商丘特大橋?yàn)槔榻B大跨度鋼橫梁框架墩設(shè)計要點(diǎn)。
圖1 大跨度框架墩
商合杭高鐵商丘特大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:
(1)設(shè)計速度:350 km/h。
(2)線路情況:雙線,線間距5.0 m,平面線形為直線,豎向有縱坡。
(3)軌道類型:CRTSⅢ型板式無砟軌道,軌頂至梁頂高738 mm。
(4)地震基本烈度Ⅶ度,動峰值加速度0.1g。
(5)環(huán)境:一般大氣條件下無防護(hù)措施的地面結(jié)構(gòu),環(huán)境類別為碳化銹蝕環(huán)境T2級。
(6)設(shè)計年限:主體結(jié)構(gòu)在正常養(yǎng)護(hù)維修條件下為100年。
常用的框架墩橫梁結(jié)構(gòu)形式有矩形截面混凝土橫梁、箱形截面混凝土橫梁、箱形截面鋼橫梁等[4-5]。
(1)矩形截面混凝土橫梁通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土,支架現(xiàn)澆施工??蚣芏湛缭絾尉€鐵路、上下兩線交叉角度很小或墩位位于上下兩線交叉點(diǎn)附近時,其橫梁跨度可能很小,且由于橫梁上支座位置處采用實(shí)心截面,如果橫梁采用箱形截面,橫梁空心段落很短且分布零散,雖然能降低部分自質(zhì)量,但降幅有限,反而增加施工難度,一般建議墩柱跨度15 m 及以下時,采用矩形截面混凝土橫梁。
(2)箱形截面混凝土橫梁通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土,支架現(xiàn)澆施工。箱形截面混凝土橫梁與矩形截面混凝土橫梁相比,自質(zhì)量輕、材料省。以高2.8 m、寬3.0 m、壁厚0.5 m 的箱梁為例,橫梁每米自質(zhì)量降低8.8 t,混凝土方量降低3.52 m3。此外,由于自質(zhì)量減輕,有效降低了橫梁的跨中彎矩及自質(zhì)量作用下的撓度、墩柱軸力,一方面節(jié)省了預(yù)應(yīng)力束、鋼筋數(shù)量,另一方面優(yōu)化了主梁及墩柱的設(shè)計,提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)。目前工程應(yīng)用中,箱形截面混凝土橫梁適用的最大跨度通常不超過25 m,當(dāng)橫梁上簡支梁為32 m 梁、墩高較高或較矮時其適用的最大跨度相應(yīng)減小。這是由于框架結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu),混凝土橫梁跨度越大,收縮、徐變、預(yù)應(yīng)力及溫度效應(yīng)越明顯,對橫梁、墩柱產(chǎn)生的次內(nèi)力越大,往往成為控制設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)對相同橫梁跨徑、墩高及不同橫梁形式(混凝土箱梁和鋼箱梁)2個模型的試算,橫梁往往是強(qiáng)度控制設(shè)計,鋼橫梁的強(qiáng)度儲備優(yōu)于混凝土橫梁,且鋼橫梁模型墩柱受力遠(yuǎn)低于混凝土橫梁模型,說明預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、溫度次內(nèi)力作用較為顯著。
(3)從結(jié)構(gòu)受力合理的角度分析,混凝土橫梁受收縮、徐變等效應(yīng)影響,跨度不宜超過25 m(上部簡支梁跨度大、墩高較高或較矮時,橫梁最大適用跨度應(yīng)再減小),超過此跨度的框架墩橫梁宜采用箱形截面鋼橫梁。箱形截面鋼橫梁與混凝土橫梁相比,具有自質(zhì)量輕、承載力強(qiáng)、跨越能力強(qiáng)及采用吊裝施工對既有線運(yùn)營干擾小等優(yōu)點(diǎn),當(dāng)既有線施工條件受限、需快速跨越施工時,鋼橫梁是最好的選擇。同時鋼橫梁由于自質(zhì)量輕,有利于墩柱橫向受力,以橫梁跨度30 m、墩柱高度10 m 進(jìn)行分析,混凝土橫梁和鋼橫梁對立柱的受力影響見表1。
表1 柱頂彎矩 kN·m
由表1可知,與混凝土橫梁相比,鋼橫梁在主力作用下墩頂彎矩減少50%左右,主力+附加力作用下墩頂彎矩減少42%。說明大跨度橫梁時,鋼橫梁自質(zhì)量減輕、不計收縮徐變作用有利于減輕框架墩立柱橫向受力。
商丘特大橋跨越既有線橫梁跨度為30 m,墩全高17.5~22.0 m,橫梁上為跨度24 m 的雙線簡支梁,其橫梁跨度大、墩柱高,同時所跨工點(diǎn)既有線運(yùn)營繁忙,不適合采用現(xiàn)澆施工。通過綜合分析,商丘特大橋框架墩橫梁采用箱形截面鋼橫梁形式,吊裝施工。
以商丘特大橋框架墩設(shè)計為例,對大跨度鋼橫梁框架墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,商丘特大橋56#墩跨越西南聯(lián)絡(luò)線,交叉角度9.8°,由于角度太小,采用框架墩結(jié)構(gòu)跨越既有線??蚣芏諜M梁跨度30 m,墩全高17.5~22.0 m。墩上梁型為24 m雙線無砟軌道預(yù)制簡支箱梁。
框架墩橫梁采用鋼結(jié)構(gòu),箱形截面,箱寬3 200 mm,箱高3 500 mm,頂、底板板厚36 mm,腹板板厚28 mm,頂、底板及腹板設(shè)置加勁肋,頂、底板縱向加勁肋寬360 mm、厚24 mm,橫向加勁肋寬400 mm、厚24 mm,腹板加勁肋寬200 mm、厚20 mm,橫梁計算跨度30 m。墩柱采用弧形變寬截面,中間直線段截面橫橋向?qū)?.0 m、順橋向?qū)? m,柱頂、底截面橫橋向?qū)?.5 m、順橋向?qū)?.0 m,墩柱高18.5 m。框架墩立面布置見圖2,橫梁截面見圖3。
圖2 框架墩立面布置圖
圖3 橫梁截面
橫梁為箱形截面,頂、底板板厚36 mm,腹板板厚28 mm,主梁材質(zhì)采用Q370qE,其屈服強(qiáng)度fy=370 MPa(板厚t≤50 mm),計算長度l1=30 000 mm 和26 000 mm,取30 000 mm進(jìn)行計算。
參考GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:箱形截面簡支梁,當(dāng)截面尺寸滿足h/b0≤6、l1/b0≤95(235/fy)時(h為頂、底板間距,b0為腹板間距),可不計算整體穩(wěn)定性。
商丘特大橋框架墩橫梁在墩柱上采用先鉸接后固結(jié)的施工方法,因此在鉸接狀態(tài)下,h/b0=3 530/3 200=1.1≤6、l1/b0=30 000/3200=9.375≤95(235/fy)=60.3,滿足截面尺寸要求;在固結(jié)狀態(tài)下,橫梁的計算長度為鉸接的0.5倍,對整體穩(wěn)定更加有利,整體穩(wěn)定性滿足要求。
3.2.1 頂、底板縱向加勁肋
參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:當(dāng)腹板間距大于翼緣板厚度的80 倍時必須設(shè)置縱向加勁肋,受壓翼緣加勁肋間距宜小于翼緣板厚度的40 倍,應(yīng)力很小和由構(gòu)造控制設(shè)計的情況下可放寬至80 倍。受拉翼緣加勁肋間距宜小于翼緣板厚度的80倍。
設(shè)計中,橫向腹板間距b0=3 172 mm≥80t=80×28=2 240 mm,故翼緣板需設(shè)置縱向加勁肋,加勁肋間距s≤40t=40×28=1 120 mm,設(shè)計中,上、下翼緣設(shè)置3 道縱向加勁肋,水平間距800 mm。
設(shè)置頂、底板縱橫向加勁肋是防止板件在壓應(yīng)力作用下局部失穩(wěn)的最有效方法。分析計算頂、底板局部穩(wěn)定性時,可近似簡化為由箱梁腹板和橫隔板圍成的四邊簡支加勁肋。
根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,加勁肋寬厚比不得大于15,頂、底板縱向加勁肋寬厚比b/t=360/24=15,滿足規(guī)范要求。
參考日本《道路橋示方書》中的規(guī)定,縱向加勁肋的剛度和面積必須滿足以下要求:
式中:b為加勁肋寬度(腹板間距),mm;t為加勁肋板厚,mm;n為被加勁肋分割的局部板件數(shù)目,n=nl+1;nl為縱向加勁肋數(shù)目;γl,req為加勁肋剛度比。
通過計算,頂、底板縱向加勁肋為剛性加勁肋,剛度和面積驗(yàn)算見表2。
表2 框架墩頂、底板縱向加勁肋驗(yàn)算結(jié)果
3.2.2 頂、底板橫向加勁肋
根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,對開口橫向加勁肋間距不宜大于3 m。設(shè)計中頂、底板橫向加勁肋板厚24 mm、寬度400 mm,間距2 m,滿足規(guī)范要求。
3.2.3 腹板加勁肋
橫梁腹板h/t=3 494/28=125,根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,當(dāng)140≥h/t>50時,應(yīng)設(shè)置中間豎向加勁肋,其間距不應(yīng)大于2 m。設(shè)計中橫隔板間距2 m,橫隔板之間的腹板再設(shè)置豎向加勁肋,加勁肋板厚24 mm、寬度360 mm,滿足規(guī)范要求。
鋼橋設(shè)計中,提高腹板穩(wěn)定性的方法主要為增加板厚和設(shè)置加勁肋2種,其中設(shè)置加勁肋的方法效果更加顯著,設(shè)計中最為常用。該框架墩橫梁腹板h/t=3 494/28=125,根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,當(dāng)140≥h/t>50 時,應(yīng)設(shè)置中間豎向加勁肋,其間距不應(yīng)大于2 m。設(shè)計中豎向加勁肋寬度360 mm、板厚24 mm,間距取2 m,伸出肢寬厚比b/t=360/24=15,滿足規(guī)范寬厚比不得大于15的要求。
根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,當(dāng)用豎向加勁肋和水平加勁肋加強(qiáng)腹板時,加勁肋的截面慣性矩不得小于:3hδ3(豎向加勁肋)、(水平加勁肋,但不得小于1.5hδ3)。其中,h為腹板計算高度,mm;δ為腹板厚,mm;α為加勁肋間距,mm。框架墩加勁肋慣性矩驗(yàn)算見表3。
為了減少鋼箱梁產(chǎn)生畸變和橫向彎曲,增加箱梁整體剛度,設(shè)計中在鋼橫梁的立柱支點(diǎn)、簡支梁支座位置及跨間設(shè)置實(shí)腹式橫隔板,截面及計算簡圖見圖4、圖5。
表3 框架墩加勁肋慣性矩驗(yàn)算結(jié)果 mm4
圖4 橫隔板截面
圖5 橫隔板計算簡圖
3.3.1 剛度驗(yàn)算
(1) 橫隔板間距。橫隔板間距LD參考經(jīng)驗(yàn)公式[6-7]:
式中:L為橋梁的等效跨徑,m。設(shè)計中L=30 m,LD≤6 m,橫隔板間距取2 m。
(2)橫隔板剛度。參考相關(guān)規(guī)范,實(shí)腹式橫隔板剛度如下:
式中:G為鋼材剪切模量,取8.1×104N/mm2;tD為橫隔板板厚,取20 mm;A為箱梁面積(箱梁板壁中心線圍成的面積),mm2。
橫隔板剛度需滿足以下條件:
式中:E為鋼材彈性模量,取2.1×105N/mm2;Idw為箱梁截面主扇性慣性矩,mm4;Fu為箱梁上頂板截面面積(包括加勁肋),mm2;Fl為箱梁下底板截面面積(包括加勁肋),mm2;Fh為1 個腹板的截面面積,mm2;Bu、b1分別為上頂板相關(guān)尺寸,mm2;Bl、b2分別為下底板相關(guān)尺寸,mm2;Ifl為底板對箱梁中心軸的慣性矩,mm4;Ifu為頂板對箱梁中心軸的慣性矩,mm4;H為腹板長度,mm。
根據(jù)以上計算公式,對56#框架墩進(jìn)行橫隔板最小剛度驗(yàn)算,結(jié)果見表4,可見結(jié)果滿足規(guī)范要求。
3.3.2 應(yīng)力驗(yàn)算
(1)中隔板。中隔板應(yīng)力簡圖見圖6,剪應(yīng)力計算如下:
表4 框架墩橫隔板最小剛度驗(yàn)算結(jié)果
圖6 中隔板應(yīng)力簡圖
式中:τu為中隔板頂部剪應(yīng)力,MPa;τh為中隔板腹板剪應(yīng)力,MPa;τl為中隔板底部剪應(yīng)力,MPa;Td為箱梁最大扭矩,kN·m。
對56#框架墩進(jìn)行中隔板剪應(yīng)力驗(yàn)算,結(jié)果見表5,可見結(jié)果滿足規(guī)范要求。
表5 框架墩中隔板剪應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果
(2)墩頂橫隔板??蚣芏斩枕斉c鋼梁在固結(jié)之前處于簡支狀態(tài),在運(yùn)梁車通行施工階段支點(diǎn)橫隔板承受了最大支座反力。支點(diǎn)橫隔板除了限制箱梁變形、保持?jǐn)嗝嫘问酵?,另一主要作用是將支座反力合理地傳到箱梁腹板上,為了分散和傳遞支點(diǎn)集中荷載,通常箱梁底板設(shè)置支墊板,橫隔板上焊接支承加勁肋,按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,支承加勁肋的伸出肢寬厚比不應(yīng)大于12,該橋橫梁支承加勁肋寬厚比b/t=360/30=12,滿足規(guī)范要求,此外還需驗(yàn)算橫隔板和支承加勁肋的局部承壓應(yīng)力和壓桿穩(wěn)定應(yīng)力。
局部承壓應(yīng)力計算:
壓桿穩(wěn)定應(yīng)力計算:
式中:[σb]為局部承壓容許應(yīng)力,MPa;[σc]為軸心受壓容許壓應(yīng)力,MPa;φ為軸心受壓容許壓應(yīng)力折減系數(shù),按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取值,壓桿計算長度按規(guī)定取支承處橫向聯(lián)結(jié)系上、下兩節(jié)點(diǎn)間距的0.7 倍;RV為支座反力,N;As為支承加勁肋凈截面積,mm2;tD為支點(diǎn)橫隔板厚度,mm;Beb為橫隔板有效寬度(考慮支墊板的45°擴(kuò)散作用),mm;B為支座墊板寬度,mm;tf為下翼板厚度,mm;Bev為腹板豎直方向應(yīng)力有效計算寬度,mm;bs為支撐加勁肋間距,mm。
對56#框架墩進(jìn)行支點(diǎn)橫隔板局部承壓應(yīng)力和壓桿穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算,結(jié)果見表6、表7。
表6 墩頂橫隔板局部承壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果(運(yùn)梁車通行施工階段)
表7 墩頂橫隔板壓桿穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果(運(yùn)梁車通行施工階段)
(3)簡支梁支座處橫隔板。簡支梁架設(shè)過程中,在梁支座位置處會產(chǎn)生較大反力,計算簡支梁支座處橫隔板應(yīng)力分2組情況:施工階段(架橋機(jī)架設(shè)階段支座反力最大)和運(yùn)營階段(主力工況和主力+附加力工況)。
①施工階段。架橋機(jī)架設(shè)階段,簡支梁支座承受了最大支反力,反力包括架橋機(jī)荷載單支座反力4 652.6 kN 和一孔梁單支座反力1 580.5 kN,總支反力為6 233.1 kN。簡支梁支座處橫隔板局部承壓應(yīng)力和壓桿穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表8、表9。
②運(yùn)營階段。在主力工況和主力+附加力工況(根據(jù)規(guī)范《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,主力+附加力工況考慮容許應(yīng)力提高系數(shù)1.2)下,對56#框架墩簡支梁支座處橫隔板進(jìn)行局部承壓應(yīng)力和壓桿穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算,結(jié)果見表10、表11。
表8 簡支梁支座橫隔板局部承壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果(架橋機(jī)架設(shè)施工階段)
表9 簡支梁支座橫隔板壓桿穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果(架橋機(jī)架設(shè)施工階段)
表10 框架墩簡支梁支座處橫隔板局部承壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果
表11 框架墩簡支梁支座處橫隔板壓桿穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果
利用有限元軟件進(jìn)行受力分析,基礎(chǔ)剛度對橫梁受力影響較大,考慮基坑回填及地質(zhì)參數(shù)與實(shí)際竣工工況存在一定差異,框架墩設(shè)計按0.5 倍和2.0 倍基礎(chǔ)剛度包絡(luò)計算,橫梁應(yīng)力分析結(jié)果見表12、表13。由計算結(jié)果可知,框架墩鋼橫梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
表12 運(yùn)、架梁階段橫梁應(yīng)力分析結(jié)果 MPa
表13 運(yùn)營階段橫梁應(yīng)力分析結(jié)果 MPa
對框架墩墩身剛度及位移進(jìn)行分析[8]??蚣芏斩丈盱o活載作用下梁體豎向撓度、梁端水平折角、梁端豎向轉(zhuǎn)角、軌道不平順值、墩頂縱向位移、墩頂縱向剛度、橫梁預(yù)拱度數(shù)值見表14—表20。
表14 靜活載作用下梁體豎向撓度
表15 梁端水平折角
表16 梁端豎向轉(zhuǎn)角 rad
根據(jù)受力分析結(jié)果,框架墩墩柱縱向主筋采用φ32 mm 鋼筋,主力、主力+附加力及地震工況作用下墩柱截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表21,滿足規(guī)范要求。
表17 軌道不平順值 mm
表18 墩頂縱向位移 mm
表19 墩頂縱向剛度 kN/cm
表20 橫梁預(yù)拱度 mm
施工階段框架墩上簡支梁架設(shè)前后橫梁與立柱連接形式不同也會導(dǎo)致立柱橫向受力狀態(tài)不同。如果框架墩體系一次成型,鋼橫梁安裝完畢后與立柱直接固結(jié),框架墩上簡支梁架設(shè)完畢后會對立柱產(chǎn)生橫向內(nèi)力,運(yùn)架梁階段運(yùn)架設(shè)備也會對立柱造成橫向內(nèi)力,采用臨時鉸接方案可釋放掉以上作用的橫向內(nèi)力。為了減小運(yùn)架梁工況對墩柱的不利影響,商丘特大橋設(shè)計在墩柱頂部設(shè)置臨時支座,待運(yùn)架梁施工完成后再對墩頂與橫梁澆筑混凝土固結(jié)。
表21 框架墩墩身截面驗(yàn)算結(jié)果匯總
臨時支座由支座弧板N1、橫梁底墊板N2和支座下底板N3 組成(橫橋向,見圖7)。N1 為底面為R=450 mm 的半球面,N1 橫橋向?qū)?80 mm、順橋向長280 mm, N3 橫橋向?qū)?80 mm、順橋向長340 mm,N3與N1接觸面為R=450 mm的弧面。
根據(jù)車-線-橋耦合振動分析理論,運(yùn)用結(jié)構(gòu)動力分析程序BDAP,針對商合杭高鐵商丘特大橋框架墩簡支梁橋采用空間有限元建立全橋動力分析模型,對橋梁在CRH2、CRH3 型動車組作用下的車橋空間耦合振動進(jìn)行分析,評價上述橋梁方案的動力性能及列車運(yùn)行的安全性與平穩(wěn)性。研究表明:
(1)商丘特大橋框架墩簡支梁橋基頻:簡支梁1階頻率3.619 Hz。
(2) CRH2、CRH3 型動車組以速度180~420 km/h通過該簡支梁橋時,橋梁豎向和橫向振動加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值,說明橋梁的振動性能良好;動車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值內(nèi),保證了高速列車的行車安全。
圖7 臨時支座構(gòu)造
(3) CRH3 型動車組以速度 180~420 km/h 通過商丘特大橋(56#框架墩)時,豎向和橫向舒適性達(dá)到“優(yōu)”或“良”;CRH2 型動車組以速度180~420 km/h 通過商丘特大橋(56#框架墩)時,豎向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”,橫向舒適性達(dá)到“優(yōu)”或“良”。
隨著高速鐵路建設(shè)的提速,越來越多的高鐵將會采用框架墩結(jié)構(gòu)形式以解決跨越既有運(yùn)營線路的難題,通過分析得出高速鐵路跨越既有線路采用大跨度框架墩時宜采用鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)論,并通過對鋼結(jié)構(gòu)橫梁設(shè)計要點(diǎn)的介紹及動力響應(yīng)分析,可為后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計提供參考借鑒。