客车疏解线特大桥跨合武客运专线铁路的设计探讨

黄小飞

(中铁上海设计院集团有限公司南昌院，江西南昌 330002)

1 工程概况

本桥为宁西铁路增建第二线六安下行客车疏解线特大桥，为跨越宁西联络线、合武客运专线、淠河总干渠和105国道而设，桥梁全长4 632.85m。

桥梁于第92跨(91#墩，92#墩)跨越既有合武客运专线双线铁路，两线夹角35.6°，交点里程为疏解线GDIK858+041.50(即合武下行线K521+902.5)。上跨处桥梁平曲线半径为1 600m。合武客运专线平面为直线，线间距5.01 m，电气化牵引，线路位于路堤段，堤高约5.2 m，且在91#墩处为既有1孔2.0m×2.5m排水框架涵，如图1所示。

2 主要技术标准

线路类别:客车疏解线。

设计时速:160 km/h。

设计坡度:0.3‰，-5.6‰。

设计平曲线半径:1 600m。

抗震设防烈度:7度。

3 方案比选

3.1 2×56 m T构转体方案

由于客车疏解线右侧为既有的宁西联络线特大桥，转体方案跨度受其影响，无法采用大跨度梁的方案。经过比选，采用2×56 m T构方案虽能跨越既有合武客运专线，同时在平面上也能避开既有框架涵，但由于T构中墩承台施工时靠既有线侧基坑开挖深度达9.5m，且防护桩距线路中心净距只有4.5m;因此基坑施工时对既有合武客运专线干扰时间长，且既有路基位移较难控制。与32 m T梁相比，T构方案轨面标高需上抬0.67 m，导致桥梁长度更长，墩身高度加高，总投资相应加大。

3.2 32 m T梁旋转承台方案

本方案跨合武客运专线上部结构采用《通桥(2005)2101》32 m T梁，与本桥其它孔跨采用相同的梁型，既方便预制和架设，同时桥梁长度也相应的缩短，节省了工程投资。

下部结构桥墩采用圆端形桥墩，基础采用φ1.25m挖孔嵌岩桩。受疏解线与合武客运专线斜交的影响，倘若按常规设计布置承台，则承台距线路中心最小净距仅为2.83 m，且91#墩承台桩基与既有框架涵存在冲突，如图1所示。为使承台远离既有线，同时避开对既有涵的影响，设计通过采用旋转承台的方法使得承台在既有路肩外施工，同时加长91#墩承台使其跨越既有涵，如图2所示。针对以上方法，本文主要讨论承台旋转后的桩基和承台计算。

图2 承台旋转后平面(单位:cm)

4 受力分析

4.1 墩顶力组合

以91#墩为例计算，桥梁平面位于1 600m圆曲线上，跨度为32 m+32 m T梁，墩顶力为10种组合，见表1。

4.2 桩基计算

由于承台旋转后，桥墩与承台对称轴不同，每组墩顶力计算至承台底存在2种组合。91#墩桩基采用8根φ1.25m挖孔桩，布置方式见图2，桩基嵌入弱风化砂岩(单轴饱和极限抗压强度Rc=10mPa)。根据承台底荷载组合，计算得单桩反力由主力组合7中的边桩控制，σb=2.61 MPa ＜［σb］=11.8 MPa，Pmax=3 035 kN，［P］=7 392 kN，嵌岩深 0.8 m;桩身至少需配12根 φ25mm 钢筋，σs=25.48 MPa＜180mPa，σs'=20.98 MPa＜180mPa。

4.3 承台计算

根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》，当桩基外缘位于承台顶面处墩身外缘向下扩散45°至承台底面处的范围内时(满足刚性角)，可不验算承台强度［1］，因此92#墩承台可不进行强度验算，但91#墩承台需进行正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力和抗冲切验算。92#墩承台采用C35混凝土，分为两阶，第一阶尺寸为长4.8 m×宽4.2 m×高1.0m(满足刚性角要求)，第二阶为长13.3 m×宽4.8 m×高2.5m。在主力、主力+附加力作用下，最大单桩反力分别为3 035 kN，3 238 kN。承台顶配置纵向受压钢筋φ20mm@15 cm，共32根，A's=100.544 cm2;承台底配置纵向受拉钢筋2 根 φ28 mm@10 cm，共94 根，As=578.852 cm2。

表1 32 m+32 m单线曲线跨墩顶力荷载组合

4.3.1 正截面抗弯承载力验算

1)极限状态法

根据公路规范［2］:当承台下面外排桩中心距墩台身边缘大于承台高度时，其正截面抗弯承载力可作为悬臂梁按“梁式体系”计算。91#墩第一阶承台满足刚性角要求，外排桩中心距第一阶承台边缘距离为3.1 m，大于承台高2.5m。第一阶承台边缘为最不利截面，须对其进行检算:

式中:γ0为重要性系数，取1.1;Md为外排桩最大竖向力设计值乘以根数对检算截面的力矩;fcd为混凝土轴心抗压强度设计值，16.1 MPa;b为承台宽，4.8 m;h0为承台有效高度，2.375m;x为混凝土受压区高度，经计算得0.173 3 m;f'sd为纵向受压钢筋的抗压强度设计值，280mPa;a's为纵向受压钢筋合力点至受压区边缘的距离，0.075m。

经计算，22 083.2 kN·m≤37 122 kN·m，正截面抗弯承载力满足要求。

2)容许应力法

根据铁路规范［3］，受弯构件的混凝土强度应按下述计算。

主力+附加力作用下，混凝土压应力

由此得x=0.360 3 m

受拉钢筋面积

式中:［σb］为混凝土弯曲受压的容许应力;［σs］、［σ's］为纵向钢筋的容许拉、压应力，主力作用下为180mPa，主力+附加力作用下为230mPa。

经计算可得在主力作用下，As=521.14＜578.852 cm2，配筋满足要求。

4.3.2 斜截面抗剪承载力验算

根据公路规范［2］:承台的斜截面抗剪承载力计算应符合下列规定

式中:Vd为计算斜截面外各排桩最大竖向力设计值乘以桩根数;P为斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率，当P＞2.5时，取2.5;fcu，k为混凝土抗压强度标准值，35mPa;m 为剪跨比，m=ayi/h0，ayi取2.53 m。经计算，7 123.6 kN≤13 136 kN，斜截面抗剪承载力满足要求。

4.3.3 抗冲切验算

根据公路规范［2］，承台应进行抗冲切承载力验算。

1)墩向下冲切的破坏锥体应采用自墩边缘至相应桩顶边缘连线构成的锥体，桩顶位于承台顶面以下一倍有效高度h0处。锥体斜面与水平面的夹角不应＜45°，当 ＜45°时，取用 45°。

式中:Fld为墩的竖向力设计值减去锥体范围内桩的反力设计值，为20 605 kN;ftd为混凝土轴心抗拉强度设计值，1.52 MPa;bx，by为墩作用面积的边长，分别为4.2 m，4.8 m;ax，ay为冲跨，冲切破坏锥体侧面顶边与底边间的水平距离，≤h0，分别为 0，2.375m;apx，apy分别为与冲跨比λx，λy对应的冲切承载力系数。

经计算，22 665.5 kN≤111 440 kN，墩向下冲切承载力满足要求。

2)对于墩向下的冲切破坏锥体以外的角桩，其向上冲切承台的冲切承载力按下式计算

式中，Fld为角桩最大竖向力设计值，为3 238 kN;bx，by为承台边缘至桩内边缘的水平距离，分别为0，1.65m;ax，ay为冲跨，即桩边缘至相应墩边缘的水平距离，≤h0，分别为 0，2.35m;a'px，a'py分别为与冲跨比 λx，λy对应的冲切承载力系数。

经计算，3 561.8 kN≤12 237.9 kN，角桩向上冲切承台承载力满足要求。

5 结束语

1)当两线斜交时，通过旋转上跨桥承台，既可以使得上跨桥基础施工时远离既有线，同时又避免了使用大跨度梁，缩短桥长，降低了工程造价。

2)按铁路规范，对满足刚性角的承台根据经验可不验算承台强度;但对超过刚性角的承台暂没有明确的计算理论［4-5］。本文将承台当做悬臂梁进行正截面承载力计算，并采用了公路规范的极限状态法和铁路规范的容许应力法进行计算，比较发现容许应力法计算结果更偏安全。

3)斜截面抗剪承载力和抗冲切承载力按公路规范进行计算，计算发现承载力比较宽裕。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10002.5—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.

［2］中华人民共和国交通部.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—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.

［4］娄宇欣.客运专线桥梁承台板配筋设计的探讨［J］.铁道标准设计，2010(11):56-60.

［5］杨宇，程爱军.关于既有桥梁基础验算中的几个问题探讨［J］.铁道建筑，2011(3):10-12.