鐵路橋梁門式墩的設(shè)計

鐵路橋梁門式墩的設(shè)計摘要：近年來我國高速鐵路發(fā)展迅猛，線路間常需立體交叉，使預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁門式墩得到了廣泛的應(yīng)用，且其經(jīng)濟和社會效益顯著。本文主要介紹了門式墩的布跨原則、分析了某鐵路設(shè)計情況，對跨越既有鐵路線的橋梁方案進行了簡單的分析，為相關(guān)設(shè)計提供一定參考。關(guān)鍵詞：鐵路；門式墩；布跨原則；剛度TheDesignofFramePierforRailwayBridgesLiuHuan1(1.ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCO.,LTD,DaxingDistrict,Beijing,China,102600)Abstract:Inrecentyears,ChinaHigh-speedRailwayhasbeendevelopedrapidly.Railwaylinesoftenrequirecrossingexistingroadsandrailways,whichputFramePierswithprestressedconcreteorsteelbeamsinmassiveusage.FramePierhasbeenproofedtobeoneofthereasonablechoiceswithbotheconomicandsocialbenefits.Basedonarailwayproject,thispapermainlyintroducestheprincipleofspanarrangementbasedonanalyzingseveralFramePiersandmakesaschematicanalysisofarailwayprojectthatcrossinganexistingrailwaybridge.Thispapermayprovidereferencesforotherdesignsinthefuture.Keywords:Railway;FramePiers;SpanArrangemantPrinciple,Stiffne刖言近年來，鐵路門式墩應(yīng)用愈發(fā)廣泛，在新建線小角度跨越既有、新建線，或小角度跨越城市道路時隔離帶不具備立墩條件時，通常采用大跨度橋梁或門式墩跨越。當選用大跨度跨越時，結(jié)構(gòu)往往不具備經(jīng)濟性，而門式墩恰好補充這一不足；但從建筑美觀角度看，門式墩相對較差；另從結(jié)構(gòu)受力來講，大跨度重點在于梁部，門式墩重點在于下部，上部可采用統(tǒng)一簡支梁形式［1］［2］。門式墩由橫梁、墩柱、承臺以及樁基四個部分組成的柔性門架體系［3］，從橫梁的結(jié)構(gòu)形式上分可以分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)合梁等；從施工方法上分可以分為現(xiàn)澆、預(yù)制后整體吊裝或頂推等多種形式，可因地制宜的靈活選擇。門式墩的墩柱截面形狀在鐵路上常采用矩形，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu)，施工方法一般為現(xiàn)澆施工。門式墩結(jié)構(gòu)體系為剛架結(jié)構(gòu)，對溫度、不均勻沉降較敏感，需協(xié)調(diào)橫梁、墩柱及基礎(chǔ)三者截面尺寸，且門式墩墩柱及基礎(chǔ)橫向受力不利，故與一般墩柱設(shè)計差別較大，且當墩柱較高時，結(jié)構(gòu)縱向剛度較為控制［4］［5］。1布跨原則門式墩方案設(shè)計首先要考慮的就是確定結(jié)構(gòu)大尺寸，如墩高、跨度，這關(guān)系著設(shè)計方案的可行性及經(jīng)濟性。那么形成一個既定的原則，對于初步確定橋梁方案，布置上部結(jié)構(gòu)孔跨就顯得更為方便、快捷，減小了后期調(diào)整方案的工作量。以下分別從凈空及凈距兩方面說明門式墩的基本布跨原則。1.1門式墩跨越鐵路凈空要求門式墩布跨時，首先要考慮所跨線凈空限界是否滿足要求，這對整條線路的縱斷及方案影響較大。根據(jù)限界要求各線路等級凈空要求詳見表1。因考慮接觸網(wǎng)回流線為高壓帶電體，當所跨線為鐵路等級較高、較為繁忙線路，不具備長時間斷電施工時，需留出與帶電體間的安全距離，通常接觸網(wǎng)回流線較限界低約0.3m，根據(jù)規(guī)范要求最小保持0.5m距離，故通常預(yù)留凈空需在限界要求的基礎(chǔ)上增加0.2m。1.2門式墩跨越鐵路水平限界要求待門式墩凈空滿足要求確定墩高后，還需確定門式墩跨度(即兩墩柱中心間距)，兩者均滿足要求后，方可判斷門式墩方案可行性?？缭郊扔需F路路基當跨越既有鐵路路基時，需考慮兩方面，其一為承臺施工時對既有線路基擾動的問題；其二是既有線路接觸網(wǎng)回流線限界問題。針對問題一，通常為減小對既有線路基的擾動，會采取防護措施，如鋼板樁防護、挖孔樁防護等；針對問題二，考慮墩柱邊緣與接觸網(wǎng)回流線之間安全距離即可。通常針對以上兩問題，預(yù)留間距可參考以下數(shù)值：門式墩承臺邊緣與既有線中心距離D1(m)D1=d1+d2+B1(2.1)式中d1——線路中心到路基邊緣距離4.4m；d2——施工空間約0.5m；B1——挖孔樁防護取1.75m、鋼板樁防護取1.5m。門式墩墩柱邊緣與既有線中心距離D2(m)D2=d3+d4+B2+0.15(2.2)式中d1——線路中心距接觸網(wǎng)立柱邊緣3.2m；d2——回流線寬，高鐵約1.5m，普鐵約1.07m；B2——接觸網(wǎng)回流線的安全距離。跨越既有鐵路橋梁當跨越既有鐵路橋梁時，需考慮三個方面，其一為承臺施工時對既有線樁基礎(chǔ)擾動的問題；其二是既有線路接觸網(wǎng)回流線限界問題；其三為樁基施工空間問題。針對問題一，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》(TB10182-2017)(征求意見稿)中對不同地區(qū)地質(zhì)條件下鉆孔樁施工對高鐵橋梁的樁基影響分析結(jié)果，對軟土、粉細砂等軟弱土，樁間距宜大于6d控制；跨越土層較好時，樁間距可放寬，但不宜小于4d控制；針對問題二，與跨越既有路基相同，保證相同的安全距離即可；針對問題三，墩柱距橋邊線不宜小于2.0m，且當橋高度小于15.0m時，樁基基礎(chǔ)不得侵入橋邊線，應(yīng)預(yù)留施工空間。跨越新建鐵路路基、橋梁當跨越新建鐵路路基或橋梁，且兩線可同時施工時，僅考慮墩柱與接觸網(wǎng)回流線間安全距離即可，見式2.2。2結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析本文以某鐵路聯(lián)絡(luò)線門式墩設(shè)計為例，進行布跨及計算。2.1工程概況該處聯(lián)絡(luò)線跨越既有鐵路橋梁，所跨鐵路等級為高速鐵路，設(shè)計時速350km/h，樁基直徑為1.25m，兩線交角為3°，采用簡支梁常規(guī)墩柱無法跨越，為保證既有線運營安全，減少施工過程中對既有線運營干擾，采用4-32m鋼橫梁門式墩方案。兩線平面位置關(guān)系如圖1。圖1兩線相交平面位置關(guān)系2.2設(shè)計標準設(shè)計時速：160km/h；線路情況：單線，平面位于直線上；上部梁型：32m簡支箱梁；特殊巖土：主要為填土及軟土；下伏基巖為二疊系下統(tǒng)石灰?guī)r，石炭系中統(tǒng)石灰?guī)r。2.3結(jié)構(gòu)尺寸此處布跨控制條件包括：①新建鐵路基礎(chǔ)與既有鐵路樁基間樁間距：因地質(zhì)稍差，考慮樁間距按6.0m控制；②墩柱與接觸網(wǎng)回流線間的安全距離：因既有線為高速鐵路，等級較高，門式墩施工時，既有線處于運營階段，此處預(yù)留2.00m安全距離，即墩柱邊緣距線路中心距離按6.75m控制。通過以上兩個條件及試算確定門式墩結(jié)構(gòu)尺寸，詳見表2。圖2Midas-civil計算模型因墩柱較高，且地層相對較差，結(jié)構(gòu)偏柔，墩柱不作為控制設(shè)計，鋼橫梁受力偏不利，但影響相對不大，故本文省略結(jié)構(gòu)受力表述，僅對剛度和位移進行分析。根據(jù)最新《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，本設(shè)計門式墩縱向剛度最小限值為220kN/cm，順橋向彈性水平位移不應(yīng)大于5L1/2，梁端水平折角不應(yīng)大于1.5%°rad。在進行結(jié)構(gòu)變形計算時，對承臺及墩柱截面進行0.8ECI的剛度折減。其中結(jié)構(gòu)整體剛度是通過對線路中心位置施加單位力，讀取相應(yīng)的位移值所得；梁端折角考慮的荷載包括靜活載、離心力搖擺力、1倍的風荷載或0.4倍風荷載與0.5倍橋墩溫差組合，本設(shè)計范圍線路為直線，故無離心力。具體結(jié)果詳見表3。由以上結(jié)果，兩者的橫向位移差異約在20%左右，縱向差異約在3%左右，相對鋼橫梁截面與材料，混凝土橫梁的剛度較大，位移較小。3結(jié)論經(jīng)對比分析可知：門式墩可以較好的解決線路小角度交叉問題，可節(jié)約成本，方便施工。但門式墩布跨涉及到的邊界條件較多，需從限界、結(jié)構(gòu)可行性、施工等各個角度考慮全面；在門式墩結(jié)構(gòu)尺寸及基礎(chǔ)剛度相同的情況下，鋼橫梁結(jié)構(gòu)剛度比混凝土橫梁結(jié)構(gòu)剛度小，尤其是橫向位移響應(yīng)差異較明顯。所以對于高墩，采用鋼橫梁門式墩方案時，剛度及位移較混凝土橫梁更為控制。參考文獻［1］陳亮.高速鐵路門式墩設(shè)計技術(shù)研究口］.中國水運，2015,15(5):233-235+251.［2］陳杰.鐵路大跨度鋼橫梁門式墩設(shè)計［J］.鐵道勘察,2017,43(04):92-95+106.［3］王永超.淺議門式墩的發(fā)展與應(yīng)用［J］.城市道橋與防洪