时速200 km城际铁路双线圆端形空心墩受力性能分析

靳 飞， 杨喜文

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院， 北京 100055)

时速200 km城际铁路双线圆端形空心墩受力性能分析

靳 飞， 杨喜文

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院， 北京 100055)

结合时速200 km城际铁路双线圆端形空心墩设计实例，阐述铁路空心墩在非温差工况和温差荷载工况作用下的受力分析思路，总结出空心墩的受力特点和配筋原则。结论为：非温差工况作用下，墩身应力水平较低，仅需配置构造钢筋，按混凝土构件对墩身进行检算；温差工况作用下，部分墩身截面应力已超出混凝土的容许应力，需按计算配置钢筋，按钢筋混凝土构件对墩身进行检算；实体和空心交界处存在明显固端干扰效应，需局部加强钢筋布置。

城际铁路；空心墩；温差荷载；固端干扰

1 概述

近年来，随着我国多条时速200 km城际铁路的新建，山区铁路墩高超过30 m的高墩桥梁已成为常见工程。与实体高墩相比，薄壁空心高墩由于具有受力性能好、纵横向刚度大、节省圬工量且滑模和翻模的施工技术成熟，在山区环境的高墩铁路桥梁中具有明显的优势，所以得到了广泛的运用[1]。城际铁路列车荷载比普通铁路和高速铁路小得多，墩身刚度的要求比高速铁路桥墩低[2]，所以在相同墩高下，城际铁路空心高墩的截面尺寸要小。薄壁空心墩受力复杂，主要原因是：(1)结构复杂。墩身截面沿墩高范围存在突变，墩身截面刚度变化不连续，从墩身整体受力来看属于混凝土结构，而从局部受力来看，薄壁结构又属于钢筋混凝土结构；(2)空心墩薄壁受温差荷载的影响较大。空心墩内部通风不良以及混凝土本身热传导性能差等原因的影响，周围环境气温骤变和日照的影响，会产生相当大的温差应力；(3)固端干扰效应明显。在温差荷载作用下，由于实体部分限制了薄壁部分的变形，所以薄壁和实体交界处的固端干扰应力较大，且应力衰减较快。

针对薄壁空心墩的受力特点，建立合理的计算模型，研究探讨空心墩在非温差工况和温差工况作用下的受力特性，依据计算结果选取合理的配筋模式，使空心墩能够满足主要规范、技术标准和运营功能。

2 桥墩构造

在列车活载作用下，墩台变形引起桥上轨道变位，为了减小桥上轨道变位量，保证线路平顺，不致影响行车的安全性和舒适性，城际铁路空心高墩尺寸的拟定需满足刚度的要求。空心墩构造如图1所示。

3 有限元模型的建立

实体有限元分析的材料定义为线弹性，弹性模量E=3.3×107kPa，泊松比为0.2，密度为2.6 t/m3。重力加速度为9.806 m/s2。支承垫石采用C50钢筋混凝土，托盘顶帽采用C35钢筋混凝土，墩身采用C35混凝土。桥墩的边界条件为墩底约束节点的3个平动自由度，圆端形空心墩的三维实体有限元模型见图2。

4 荷载及受力分析

4.1 墩顶荷载

墩顶所受梁体荷载主要有: 恒载、活载、制动力、离心力、摇摆力、长钢轨纵向力、断轨力、列车脱轨荷载、梁体横向风力，将以上荷载进行最不利工况组合，作为墩顶所受外力的控制工况。由于实体分析计算工作量大，将每一最不利工况作用下的支座反力都逐一作用在墩顶再进行实体分析，则需要较长的时间。因此采用偏于安全的包络设计法，通过将“主+附”组合除以1.3和“主+特”组合除以1.4，将其转化为主力，然后再比较主力作用下的最不利工况组合，找出墩身应力的控制工况。墩顶荷载的包络值见表1。

表1 墩顶荷载的包络工况

表1所列墩顶荷载的包络值对称施加在两个垫石的顶面，如图3所示。

图3 墩顶荷载施加示意

4.2 风荷载

风荷载按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.4.1条确定[3]，风荷载强度W=K1K2K3W0，式中，W0为基本风压；K1为风载体形系数；K2为风压高度变化系数；K3为地形、地理条件系数。

各个参数取值见表2。

表2 风荷载强度参数

风荷载以均布压力的形式作用于桥墩表面，风荷载与墩顶荷载同时作用于桥墩，考虑二者的叠加作用。

4.3 温差荷载

(2)气温及寒潮降温引起的内外壁表面温差

温差沿壁厚方向的分布方程Ax=A·e-βx。式中，A为内外壁温差，气温升温取10 ℃，寒潮降温取-10 ℃；x为以墩外壁表面为原点的径向坐标;β取值为：气温升温取6，寒潮降温取4.5。温差荷载与墩顶荷载同时作用于桥墩，考虑二者的叠加效应，对于寒潮降温工况同时考虑风荷载的作用[6]。

图4 日照温差随照射角度的变化

4.4 非温度荷载作用下受力分析

在包络工况1和风荷载的共同作用下，墩顶实体段的主拉应力和主压应力分别如图5、图6所示。

图5 墩顶实体段的主拉应力分布

图6 墩顶实体段的主压应力分布

由图5、图6可知，主拉应力最大值出现在垫石与墩顶交界位置，为2.18 MPa，小于C35混凝土“有箍筋及斜筋时的主拉应力”容许值[σtp-1]=2.25 MPa；主压应力最大值出现在墩内侧墩顶倒角下缘，为5.09 MPa，小于C35混凝土“弯曲受压及偏心受压”应力容许值[σb]=11.8 MPa，因此满足规范要求。

4.5 温差荷载作用下受力分析

气温温差和日照温差作用下，墩身空心段顶部、中部和底部的主拉应力分布如图7所示，其中日照角度由0°(日光沿横桥向照射)经27°、45°和63°变化到90°(日光沿顺桥向照射)。由表3和图7可知：(1)最大主拉应力的位置与日照角度具有对应关系，光线与墩表面相垂直的位置主拉应力最大，由于墩中部不受固端干扰影响，这种现象更加明显；(2)随着日照角度从0°到90°变化，墩顶、墩身中部和墩底节段的最大主拉应力逐渐增加，因此可以依据太阳照射角度为90°时的应力进行环向配筋计算，最大主拉应力的位置在截面的直线段中部[8]。

表3 日照和气温温差下墩壁的最大主拉应力

图7 日照和气温温差下墩身的主拉应力(单位：kPa)(日照角度为90°)

寒潮降温温差(-10°)下墩顶、墩中和墩底截面的环向应力分布如图8所示。由图8可得：墩壁外侧环向受拉，墩顶和墩底的墩壁外侧最大主拉应力约为2 MPa，出现在截面直线段上；墩高中部的墩壁外侧最大主拉应力约为1.4 MPa，出现在截面直线段和圆弧段上。

图8 降温温差-10°下墩身的主拉应力(单位：kPa)

5 配筋设计

由于空心墩壁的温度应力呈抛物线的非线性分布，为了方便计算，可将应力图简化为矩形及三角形。根据截面应力平衡原理，求出简化的中性轴位置，再根据公式推导计算截面的单宽内力，然后可按受弯构件进行配筋计算[9]。配筋计算方法：在墩顶、墩中和墩底分别截取一个环向节段，然后在主拉应力最大的位置截取一个竖向截面，对截面进行应力积分，得到该截面上的内力，然后按照容许应力法计算截面配筋，计算截面截取见图9，应力积分过程见图10，配筋计算结果见表4。

图9 环向配筋计算截面截取(单位:cm)

图10 环向截面应力积分示例(日照升温)

工况气温+日照温差寒潮降温-10℃位置内力受拉钢筋轴力/kN弯矩/(kN·m)根数直径/mm墩顶186.0100.0512.0墩中48.0153.0812.0墩底233.0401.01312.0墩顶45.080.0712.0墩中1.7150.0812.0墩底65.0326.01512.0备注内侧墩壁受拉外侧墩壁受拉

6 固端干扰效应分析

寒潮降温-10 ℃时墩壁外表面的环向应力，以及气温+日照温差下墩壁内表面的环向应力见图11。由图11可知，在实体和空心交界段4.5 m高范围内应力水平较高，而在此区域外应力衰减较快，此现象称为“固端干扰”现象。由表4可知，环向钢筋配置最多的部位均出现在墩底位置[10]。

图11 墩壁环向应力沿墩高分布

7 结论

(1)非温度荷载工况作用下，空心墩墩身混凝土最大主拉应力值和最大主压应力值均小于《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》中所要求的容许值，仅需配置构造钢筋，此工况作用下可以认为铁路空心墩是按混凝土构件设计；

(2)在温差荷载作用下，日照升温内侧墩壁受拉，寒潮降温外侧墩壁受拉，混凝土应力均超过混凝土构件最大容许拉应力，需按计算配置足够数量的钢筋，使得墩身各截面的混凝土应力、钢筋应力、裂缝均满足规范要求[11]，此工况作用下可以认为铁路空心墩是按钢筋混凝土构件设计。

(3)在实体和空心交界段4.5 m高范围内，存在明显的固端干扰效应，此区域应力水平较高，而在此区域外应力衰减较快。在寒潮降温-10 ℃作用下，固端干扰区墩壁外表面环向应力峰值大约是非固端干扰区的1.4倍。在气温+日照温差作用下，固端干扰区墩壁内表面环向应力峰值大约是非固端干扰区的1.57倍。由此得出：在空心墩的墩顶和墩底固端干扰区，需适当加强墩壁内外侧表面水平环向钢筋[12]。

目前，以上研究成果已成功运用于广清城际铁路空心桥墩施工设计中，且大部分空心墩已顺利完成施工。

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Stress Performance Analysis of Double Round-shaped Hollow Pier for 200 km/h Intercity Railway

JIN Fei, YANG Xi-wen

(Bridge Engineering Design and Research Institute， China Engineering Consulting Group Co. Ltd.， Beijing 100055， China)

With reference to the design of hollow pier for 200 km/h inter-city railway， this paper focuses on the stress analysis of railway bridge hollow pier under the working condition of non-temperature difference and temperature load， and summarizes the stress particularities and reinforcement requirement for the hollow pier. The conclusions are as follows: (1)Under the working condition of non-temperature difference， the stress level of pier shaft is low and only structural steel bar is needed， and the pier shaft is verified as a concrete member. (2)Under the working condition of temperature difference， part of the pier cross-section stress excesses the allowable stress of concrete， steel bar is arranged according to calculation and the pier shaft is verified as a reinforced concrete member. (3)Obvious fixed end interference effect exists in solid and hollow juncture， which requires additional local reinforcement．

Intercity railway; Hollow pier； Temperature difference load; Fixed end interference

2014-12-01；

2014-12-07

靳飞(1980—)，男，工程师，2007年毕业于中南大学桥梁与

隧道工程专业，工学硕士，E-mail：jinfeicsu@163.com。

1004-2954(2015)07-0095-05

U443.22

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.021