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        鐵路縱向Y型橋墩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

        2020-08-06 03:51:46
        鐵道勘察 2020年4期
        關(guān)鍵詞:主拉簡支梁活載

        仝 波 陳 杰

        (中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070)

        1 概述

        在我國,新建高鐵車站大都距離市區(qū)較遠,若高鐵接入市區(qū)既有車站,往往會面臨鄰近營業(yè)線施工、既有建筑改建及拆遷困難、隱蔽工程影響施工等問題。已有許多學(xué)者進行了相關(guān)研究:肖婧[13]研究了鐵路非標(biāo)墩的設(shè)計,避免了在孔跨中出現(xiàn)非標(biāo)梁的情形,但是縱向調(diào)節(jié)跨度只有2 m左右;劉彥明[8]提出了轉(zhuǎn)體V型T構(gòu)方案,但該方案本身不具備調(diào)整跨度的功能。吳岐賢等[10,15]分析了Y型墩剛構(gòu)橋的力學(xué)參數(shù);王吉盈等[9,14]介紹了V型剛構(gòu)橋的特點。以某高鐵接入市區(qū)車站 工程為例,對縱向Y型橋墩的設(shè)計進行深入研究。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        結(jié)合現(xiàn)場特點,設(shè)計了縱向Y型橋墩,墩高20 m,墩頂縱向長15.11 m,主梁長11.91 m,墩梁固結(jié),將原設(shè)計此處(40+24) m簡支梁調(diào)整為32 m簡支梁+11.91 m縱向Y型墩+20 m簡支梁方案,如圖1所示。

        圖1 工點立面(單位:cm)

        因為線路高程發(fā)生變化,墩頂拉桿采用變厚度,跨中截面為5.0 m×1.5 m,Y型斜柱按2∶1放坡,截面為5.0 m×1.8 m,豎向立柱截面為5.0 m×4.0 m。為不侵占人行道,本橋墩豎向立柱需切去1.3 m×0.6 m的角,橋墩構(gòu)造大樣如圖2和圖3所示。

        圖2 橋墩正視側(cè)視示意(單位:cm)

        圖3 橋墩剖面示意(單位:cm)

        3 設(shè)計原則

        3.1 荷載

        活載:ZK活載;

        制動力:取計算長度內(nèi)活載的10%,當(dāng)與離心力或豎向動力作用時取7%;

        溫度作用力:整體升溫25 ℃,整體降溫20 ℃;

        工點曲線半徑取600 m,離心力以及風(fēng)力、搖擺力、土壓力等均依規(guī)范取值[1]。

        3.2 剛度控制因素

        4 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 剛度設(shè)計

        高鐵橋墩的縱向水平線剛度對于橋上軌道及橋梁結(jié)構(gòu)本身的安全十分重要[5],但在豎向力作用下,橋墩也會有水平位移,且比水平力的作用更大。因此,提出了采用豎向力和水平力共同作用來計算縱向剛度的解決方案:依據(jù)鐵路列車制動力的取值特點[1],豎向力取水平力的10倍,如圖4所示,用該水平力與水平位移的比值作為本橋墩的縱向剛度。

        圖4 縱向Y型墩剛度評估模型

        本橋墩的縱向剛度為

        KZ=FH/S

        (1)

        式中,KZ為Y型墩縱向線剛度/(kN/cm),F(xiàn)H為作用墩頂水平力/kN,S為考慮基礎(chǔ)剛度、在水平力和豎向力共同作用下的墩頂水平位移/cm。

        在豎向力作用下,橋墩會對基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的彎矩,而基礎(chǔ)的抗彎剛度決定了橋墩的墩頂位移值[4]。在水平力100 kN和豎向力1 000 kN作用下,不同樁基布置下的剛度設(shè)計值見表1。由表1可知,考慮豎向力與否,剛度值差距在4倍左右;基礎(chǔ)的抗彎剛度越大,即順橋向樁間距增大,橋墩的縱向線剛度也越大[7]。實際施工中采用8-φ1.5 m樁基布置,縱向線剛度為255 kN/cm,滿足規(guī)范要求[1]。

        表1 不同基礎(chǔ)布置形式縱向線剛度

        4.2 撓度評價

        橋墩左側(cè)為32 m簡支梁,右側(cè)為20 m簡支梁,32 m簡支梁在ZK靜活載作用下?lián)隙葹?.91 mm,Y型橋墩在列車反力作用下墩頂豎向下移1.85 mm,水平左移3.92 mm,故左側(cè)32 m簡支梁組合撓度為(8.91+1.85) mm=10.76 mm,小于規(guī)范13.7 mm的限值,滿足要求。

        4.3 疲勞荷載

        在列車活載作用下,橋墩會受到來回反復(fù)的縱向彎矩作用,這是一個疲勞受力特征。規(guī)范[2]要求“對承受疲勞荷載作用的構(gòu)件,應(yīng)檢算鋼筋應(yīng)力幅”。疲勞荷載為運營階段設(shè)計活載,本橋墩采用兩根一束28號主筋布置[12],在橋墩兩側(cè)活載作用下(考慮沖擊系數(shù)),得到應(yīng)力幅值為87.3 MPa,滿足規(guī)范要求[2]。

        4.4 應(yīng)力控制

        橋墩及主梁均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其墩頂應(yīng)力較為復(fù)雜[3,11],故采用實體模型進行分析[6]。模擬分析表明,主拉應(yīng)力集中在Y型框架的內(nèi)緣交匯處。墩頂?shù)睦瓧U是一個受拉為主的拉彎構(gòu)件,其主拉應(yīng)力在1.1~3.9 MPa之間,以右側(cè)倒角交匯位置處最大(如圖5所示);主梁腹板的受拉應(yīng)力約為0.6 MPa,未超過混凝土主拉應(yīng)力,腹板受力表現(xiàn)出深梁的受力特點,主拉應(yīng)力沿腹板截面斜向45°;底板主拉應(yīng)力(順線路方向)發(fā)生在支座下緣部位,“恒載+左側(cè)主梁有車(單孔重載)”應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

        表2 主要部位主拉應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

        圖5 Y型墩頂部主拉應(yīng)力云圖

        受拉區(qū)的鋼筋布置如圖6和圖7所示,由圖6可知,在受拉區(qū)倒圓角,形式上相對美觀,但設(shè)置互相交叉(呈凹角)的單獨鋼筋較為困難[2]。由圖7可知,其鋼筋受力更加明確,施工方便,故本次設(shè)計采用圖7所示的鈍角過渡形式及鋼筋布置。

        圖6 受拉區(qū)圓角過渡鋼筋布置

        圖7 受拉區(qū)鈍角過渡鋼筋布置

        4.5 運架梁工況

        在運架梁工況下,橋墩縱向水平位移對架橋機穩(wěn)定性的影響較大,在架橋機前支腿作用在Y型墩主梁左端的工況下,墩頂水平彈性位移約為13.5 mm,豎向位移為6.2 mm;梁頂縱向水平彈性位移約為15.9 mm,豎向位移約為5.7 mm。施工中要考慮其對架橋機穩(wěn)定性及架梁精度的影響。

        5 結(jié)論

        (1)在鐵路縱向Y型橋墩設(shè)計中,采用單側(cè)豎向力和10%豎向力(作為水平力)的共同作用,并由此評估縱向剛度。

        (2)提高樁基的縱向間距是提高縱向Y型墩墩頂線剛度的有效措施。

        (3)在活載作用下,立柱會有來回反復(fù)彎矩,故立柱的鋼筋布置要考慮疲勞荷載的影響。

        (4)在Y型框架內(nèi)緣交匯位置有著典型的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)重點考慮局部構(gòu)造處理和鋼筋布置形式。

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