哈齐客运专线四线铁路桥墩设计

顾津申

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

哈齐客运专线四线铁路桥墩设计

顾津申

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

以哈尔滨至齐齐哈尔客运专线松花江特大桥主桥桥墩为例，详细论述四线铁路桥墩的设计思路与设计方法，给出四线铁路桥墩设计时应重点关注的荷载组合工况;通过对冰压力荷载的分析，提出高纬度严寒地区桥墩的设计建议，对相同类型的工程具有一定的参考和借鉴意义。

哈齐客运专线;四线铁路桥墩;冰压力;荷载组合

1 工程概述

哈尔滨至齐齐哈尔客运专线松花江特大桥主桥采用1－(78+3×156+78)m钢管混凝土拱加劲连续梁，四线并行，设计线间距为4.4m+8m+4.4m。哈齐客运专线为双线，设计活载为ZK活载，设计速度为200 km/h;改建滨洲线为双线，设计活载为中－活载，设计速度为160 km/h。桥址位于高纬度严寒地区，冬季寒冷干燥漫长，最冷月平均气温均低于－15℃。主桥位于直线上，所处地区设防烈度为Ⅵ度。如图1所示。

2 桥墩构造拟定

图1 松花江特大桥主桥立面图(单位:cm)

松花江特大桥主桥上部活载为四线铁路，桥墩构造设计首先应满足横向宽度要求;其次由于上部荷载较大，支座尺寸也将控制桥墩顶帽的纵横向构造。若采用现有客运专线铁路圆端形实体桥墩形式，桥墩混凝土方量势必较大;若采用框架结构桥墩，桥墩底部由于较大温差产生的温度应力将使得墩底截面配筋量很难控制。故在综合考虑桥墩结构设计的安全、美观及经济性的情况下，满足上部结构支座布置要求的同时，拟定桥墩形式为三圆柱加肋混凝土桥墩。中间墩顶帽横向宽26.8m，两侧圆柱直径为6m，中间圆柱直径为7m，中间肋板纵向长度为3m，如图2所示;边墩顶帽连续梁侧横向宽度为24.6m，3个圆柱直径都为5m，中间肋板宽度为3m，如图3所示。边墩两侧墩顶均预留槽孔，方便支座养护维修的需要。

图2 主墩顶帽平面

图3 边墩顶帽平面

墩身结构形式采用与顶帽结构相同的形式。主墩3个圆柱之间的肋板从墩顶处采用“U”形圆弧曲线过渡开槽。既起到排水的作用，同时增加视觉上的美观效果。

松花江冰冻期冰层最大厚度达到1.3 m，冬季封冻时间长，冰压力对桥墩结构的影响极为显著，因此位于松花江干流内主桥桥墩破冰棱的布置就变得尤为重要。为了减少冰冻期内，流冰撞击对桥墩结构的影响，于墩身迎冰面流冰水位1.5m以下，设置混凝土破冰棱，破冰棱前端埋设角钢与护面钢板，并且在破冰棱高度范围内，于墩身四周外包混凝土保护层，防止迎水面以外方向碰撞对墩身结构的影响。如图4、图5所示。

图4 主墩正、侧面

图5 边墩正、侧面

3 墩荷载与检算

3.1 桥墩设计荷载

四线桥墩设计时除了考虑常规荷载外，应重点关注桥墩承受多线活载的情况。由于本桥活载类型为两线中活载和两线ZK活载，规范中未见明文规定，参考《铁路桥涵设计基本规范》、《高速铁路设计规范》(试行)以及欧洲规范，整体计算时，双线及双线以下活载不折减;三线及三线以上活载考虑折减系数为0.8，考虑满载和偏载工况。

由于哈齐客运专线松花江特大桥主桥位于严寒地区，桥位处年平均气温约为4℃，冰冻期时间长。百年一遇流冰期最高水位为116.56m，百年一遇河心冰厚为1.7m。故冰压力为该桥墩设计的主要控制因素之一。

对位于有冰凌河流内的桥墩，冰压力荷载应考虑以下几种情况:(1)河流流冰产生的动压力;(2)风和水流作用于大面积冰层产生的静压力;(3)冰覆盖层受温度影响膨胀时的静压力(在闭塞空间);(4)冰堆整体推移的静压力;(5)冰层因水位升降产生的竖向作用力。

由于确定各种冰荷载的计算方法很多，分别将不同公式计算桥墩冰压力的结果列于表1。

表1 不同公式计算桥墩冰压力结果 kN

从表1可以看出，冰盖层膨胀产生的静压力为冰压力的控制荷载。但根据规定:如采用其他方法求得的水平向冰压力大于极限冰压力时，应按极限冰压力设计［1］。即作用在桥墩上的冰压力不会大于使冰自身结构破坏的外力。鉴于目前对于冰压力的研究和计算方法还不成熟，桥墩计算时可以采用极限冰压力作为设计依据进行桥墩设计检算。

3.2 荷载组合

松花江特大桥主桥梁部为四线行车，即哈齐客运专线正线(上下行)，改建滨州线(上下行)。其中哈齐客运专线正线荷载形式为ZK活载，改建滨州线的荷载形式为中－活载。

桥墩设计时，应考虑主力、主+附(纵、横向)以及主+特(纵、横向)各种控制荷载在相同方向叠加时最不利的组合情况。根据分析计算桥墩主要的控制工况如表2所示。

表2 桥墩设计主要控制工况

3.3 桥墩强度、刚度和稳定性验算

松花江主桥为四线并行且上部荷载较大，下部桥墩结构应满足规范要求的刚度及稳定性等要求，故桥墩采用混凝土结构设计。

3.3.1 墩顶水平位移

墩台的纵向及横向水平刚度应满足列车行车安全性和旅客乘车舒适度的要求，并对最不利荷载作用下墩台顶的横向及纵向计算弹性水平位移进行控制［2］。

桥墩在竖向静活载、制动力或牵引力、风力(纵向)、伸缩力等的作用下，桥墩墩顶的纵向水平位移总和如表3所示。

表3 松花江主桥桥墩墩顶纵向水平位移 mm

桥墩在列车横向摇摆力、冰压力、风力和温度的作用下，桥墩墩顶的横向水平位移如表4所示。

根据规范规定:在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，由墩台横向水平位移引起的相邻结构物桥面处轴线间的水平折角不得超过1‰，即固定墩:L×0.5‰=156×0.5‰=78 mm，边墩:L×0.5‰=32×0.5‰=16mm，按照几何线性内插，37号桥墩的限值为36.7mm;39号桥墩的限值为53.2mm;40号桥墩的限值为28.4mm。对比表4中的数值，每个桥墩在荷载作用下的实际横向位移均小于规范限值，因此满足要求。

表4 松花江主桥桥墩墩顶横向水平位移 mm

3.3.2 桥墩截面强度

混凝土和砌体墩台的截面强度应按下式检算［3］

桥墩上部采用C35混凝土，下部除考虑地表土和地下水的侵蚀性外，位于水中桥墩冻融破坏等级为D3，故而适当提高了混凝土强度等级。C35混凝土对应的混凝土的容许压应力=9.4 MPa。计算主力加附加力时，其容许压应力可以提高30%。

将上述所列荷载依次组合，边墩简支梁侧荷载按照单孔重载及单孔轻载考虑，分别计算桥墩墩底截面强度。因为荷载组合比较多，这里列出部分墩高的控制工况墩底计算截面应力值，见表5。

表5 松花江主桥桥墩墩底部分截面应力

从表5中的数值可以看出，不同桥墩在控制荷载工况作用下的墩底截面压应力均小于9.4 MPa，满足规范规定，故桥墩截面强度检算符合要求。

3.3.3 墩身偏心

在各种荷载组合作用下，混凝土的实体墩台身截面上法向合力的偏心距e应符合下列规定:

主力 e/S≤0.5

主力+附加力(圆形截面) e/S≤0.5

主力+附加力(其他形状截面) e/S≤0.6

主力+特殊荷载 e/S≤0.7

式中，S系沿截面重心与合力作用点的连线上量取，自截面重心至该连线与截面外包轮廓线的交点的距离［3］。

将上述墩底截面应力所对应的荷载组合下，不同墩身截面的e/S值列于表6。

表6 松花江主桥桥墩墩底部分截面e/S

从表6可以明显看到，不同桥墩在不同荷载组合下，控制荷载工况作用时的墩身截面偏心满足规范规定，故桥墩截面偏心符合要求。

3.3.4 墩身纵向稳定性

混凝土的墩台在中心受压及偏心受压时，其整体纵向稳定性应按下式检算［3］

式中 N——作用于墩台顶面处的轴向压力，MN;

K——安全系数，对于整体灌注的混凝土墩台，

主力时K=2.0，主力加附加力时K=1.6;

Ncr——墩台顺截面回转半径较小方向弯曲的纵向弯曲(屈曲)临界荷载，MN。

在影响桥墩失稳的控制荷载作用下，检算桥墩顺桥向及横桥向的纵向稳定性，求得Ncr/N的比值，将部分计算结果列于表7中。

表7 松花江主桥桥墩纵向稳定性部分计算结果

对比表7中的计算结果与规范要求的安全系数，墩身在控制荷载作用下的纵向稳定性系数大于规范要求的安全值，计算结果满足规范规定，因此墩身纵向稳定性检算符合要求。

通过比较上面墩身截面强度、偏心和纵向稳定性的结果可以看到，相同截面形状的桥墩，其墩身截面强度随着作用于墩身截面处的竖向力及弯矩的增大而增大;桥墩的偏心与截面所受竖向力成反比，所受弯矩成正比;而桥墩的纵向稳定性只与竖向力有关。

4 结语

随着铁路的发展，在考虑安全和稳定性的同时，结构的整体性和美观也逐渐被运用到实际工程中，越来越多的四线甚至多线桥梁将被采用。松花江特大桥主桥四线桥墩的设计过程为高纬度严寒地区多线桥墩设计提供了一定的参考价值。

(1)严寒地区桥墩于迎水面需设置破冰棱，破冰棱高度应位于流冰水位1.5m以上。冰压力计算中，冰盖层膨胀产生的静压力在各种冰压力计算值中较大。但由于其荷载大于使冰自身结构破坏的外力，故设计中在进行桥墩冰压力计算时，采用极限冰压力作为桥墩设计的控制因素，可以保证结构设计的安全性。

(2)四线桥墩在设计过程中，由于多线活载的作用，桥墩荷载组合形式繁多，为了减少计算工作量，应首先对荷载组合进行适当的筛选。对于多种活载工况，在设计时只需考虑多线同时行车与一侧同时行车的情况(规范有其他规定的除外)。在恒载一定的情况下，多线同时行车可作为竖向力的控制工况，一侧同时行车可作为偏载弯矩的控制工况。

(3)对于文中的四线桥墩结构，四线活载同时作用时，冰压力及地震力作为附加力和特殊荷载都是桥墩设计荷载的控制值，设计时可以重点关注该荷载的作用方向，在相同方向叠加剩余荷载，将此作为桥墩设计计算中的最不利荷载组合之一。

［1］铁道第三勘测设计院．桥梁设计通用资料［M］．北京:中国铁道出版社，1994:109－113．

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［10］王召祜．客运专线桥梁设计研究［J］，铁道标准设计，2005(4)．

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Design of Four-Track Railway Bridge Pier on Harbin-Qiqihar Passenger Dedicated Line

GU Jin-shen

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

In this paper，the bridge pier design of the main bridge for the Songhua River super major bridge on Harbin-Qiqihar passenger dedicated line was taken as the example．Then this paper analyzed the design idea and designmethod for four-track railway bridge pier，and proposed the work conditions of load combination which should be focused on during design of four-track railway bridge pier．Furthermore，via analysis on ice pressure load，some advices were given in this paper regarding bridge pier design in high latitude and severe cold area，having certain reference value to the similar projects．Key words:Harbin-Qiqihar passenger dedicated line;four-track railway bridge pier;ice pressure;load combination

U442.5

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．015

1004－2954(2014)03－0063－04

2013－11－28

顾津申(1982—)，男，工程师。