津秦客运专线连续梁-框架墩设计

张春芳,宋顺忱

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 工程概况

津秦客专下坞蓟运河特大桥在DK73+170.67处跨越京山下行线,交角167°49′；在DK73+190.95处跨越京山上行线,交角166°40′,净高要求7.96 m,拟采用框架墩跨越,框架墩上部结构采用7×16 m连续箱梁(104～111号墩)。

根据地质专业资料,工点处基本地震烈度8度(地震动峰值加速度Ag=0.2g),Ⅳ类场地土,地震动反应谱特征周期分区为一区。桥址平面如图1所示。

2 框架墩的布置原则

框架墩的布置首先要满足既有线的限界、满足施工条件(特别是减少基础施工对既有线运营的影响),其次考虑景观要求,并尽量减小框架墩的跨度,做到经济实用。设计时,框架墩垂直于既有线布设,使框架墩最小跨度减为20 m；框架墩上作用7×16 m小跨度连续梁,使横梁宽度不致太大,既提高了整体刚度,又解决了净空受限时横梁构造尺寸影响限界的难题。从所取用的截面尺寸和计算结果看,方案可行,也较合理。

3 墩梁连接方式

框架墩与上部连续梁的连接可分为2种方式：

图1 下坞蓟运河特大桥平面布置(单位：cm)

(1)常规墩梁连接,连续梁通过支座与下部桥墩相连。连续梁的固定支座又可分单固定和多固定(2个或3个固定)2种形式；

(2)墩梁固结,即框架墩的横梁作为连续梁底板的一部分成为十字梁结构。

2种连接方式优缺点对比如表1所示。

表1 连接方式优缺点对比

综合这2种方式的优缺点,结合工点处的具体施工条件,本设计采用常规墩梁连接形式,即7×16 m连续梁-框架墩取最中间的3个框架墩作为固定墩进行分析计算。

4 结构分析

4.1 主要构造特点

图3 框架墩结构(单位：cm)

截面尺寸的拟定首先要满足构造要求,并根据墩梁连接方式，墩、梁结构受力特点及总体变形情况来进行调整,使其在满足桥梁刚度要求的同时,使结构受力合理。

7×16 m预应力混凝土连续梁采用单箱单室截面,梁高2.0 m,梁宽12.0 m,顶底板厚30 cm,腹板厚由跨中0.45 m变为支点处1.05 m,横向支座中心距为4.9 m,边跨支点到梁端0.75 m,梁截面形式如图2所示。

图2 连续梁截面(单位：cm)

框架墩横梁除与立柱交接处采用实体截面外其他采用箱形截面,截面高2.8 m,纵宽3.0 m,顶板、底板、腹板厚均采用0.5 m,横梁在支座位置处设1.2 m厚的隔板；两立柱中心距为20.0 m, 柱高11.5～12.2 m,立柱采用矩形截面向外一侧纵向加弧,墩高方向呈上、下大,中间小的曲线线形,柱上、下端截面2.7 m×3.15 m(纵×横),中间截面2.7 m×2.4 m(纵×横)。框架墩截面形式如图3所示。

4.2 空间结构分析

用MIDAS程序建立梁与墩的整体空间模型,计算各种情况下轨面在最不利荷载组合下的不平顺变形；计算结构各部分的刚度和结构的自振频率,对各种工况的计算情况进行分析。

程序中桥墩和承台按梁单元输入；上部连续梁用板单元输入；桩基折算成基础刚度输入,取最中间的3个框架墩作为固定墩,计算模型如图4所示。

图4 7×16 m联最中间的3个框架墩作为固定墩计算分析模型

4.3 结构变形计算

4.3.1 常规方式加载

常规方式加载时,结构在各荷载工况下的主要变形值统计见表2。

表2 7×16 m连续梁-框架墩体系最大变形统计

4.3.2 双线列车对向加载

双线列车对向加载时一个轴距范围的轨面扭转变形,计算时考虑ZK活载双向不对称加载,按加载位置分8种加载模式,计算一线两轨各位置的扭转角。最大变形值见表3。

表3 三固定墩体系18 m轴距范围不平顺变形统计

计算结果分析：

(1)结构在各荷载工况的变形,均符合《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》第6.3条规定；

(2)在静活载作用下,沿线路3 m长范围内一线2根轨道的最大不平顺变形发生在两线满布的荷载工况下,说明偏载对结构不平顺变形的影响不大；

(3)温度作用下产生的一线2根轨道的最大不平顺变形比静活载产生的变形要大；说明温度是控制整个体系轨面扭转变形的重要因素；

(4)双线列车对向加载时,在18 m轴距范围,ZK均布加载时的最大反扭角为0.216/‰,梁体的扭转变形很小,满足规范要求。

5 设计中应注意的问题

(1)由于本连续梁为多固定体系,跨度较小,恒载(预应力、收缩徐变)引起的固定支座纵向水平力(约1 100 kN/单支座)较大,加之温度、制动力和长钢轨作用力的影响,支座水平力比常规连续梁大许多,设计中考虑梁体施工时,在临时支架上张拉预应力钢束(梁纵向为自由伸缩状态),停梁1个月后,进行支座转换,即安装永久支座,以减小纵向水平力。

(2)大跨度框架墩对基础的约束条件非常敏感,模拟约束较实际强时,横梁设计不安全,同时使立柱与基础的设计困难；模拟约束较实际弱时,情况正好相反,横梁设计困难,而立柱与基础的设计不安全。因此,应根据工点处的地质条件和基础设计情况,合理确定约束刚度。

上部连续梁支座处考虑框架墩的弹性约束,横向两支座弹性支承刚度不同,以模拟扭转效应。

(3) 温度是控制轨面变形的重要因素,如何采用合理的温度变化模式有待进一步研究。

6 结语

(1)综合以上计算和分析,表明了连续梁-框架墩体系构造较简单,受力明确,能较好地满足规范中各项设计指标,从仿真试验结果看,此方案具有良好的动力特性和列车走行性,值得推荐。

(2)有效解决了津秦客专小角度跨越津山铁路时,用小跨度连续梁-框架墩结构代替常规大跨梁结构,既经济又能缩短工期的难题。而且此工点框架墩采用棚架现浇施工,上部连续梁采用顶推施工,合理的施工方法缩短了铁路要点时间,减少了对铁路运营的干扰。

(3)为我国在时速350 km客运专线无砟轨道铁路桥梁上采用框架墩体系积累经验,为客运专线与既有铁路、公路等小角度交叉提供一种新的桥梁结构形式。

[1]中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[4]中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[5]李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社,1984.

[6]张家旭.钢结构[M].北京：中国铁道出版社,1997.

[7]田万俊.预应力混凝土框架墩设计研究[J].铁道标准设计,2003(8).

[8]裘伯永,盛兴旺,乔建东,等.桥梁工程[M].北京：中国铁道出版社,2005.

[9]孙树礼.高速铁路桥梁设计与实践[M].北京：中国铁道出版社,2011.

[10]铁道部第三勘测设计院.桥梁地基和基础[M].北京：中国铁道出版社,1991.