客货共线铁路T梁圆端形空心墩参考图总体设计

吴文华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



客货共线铁路T梁圆端形空心墩参考图总体设计

吴文华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：结合客货共线铁路简支T梁圆端形空心墩参考图的设计,对设计空心墩的总体性要素、构造尺寸的确定进行详细分析,总结空心墩设计时需计算的项目及计算的原则。采用合理设计方案和结构尺寸,可以获得桥墩合适的刚度,节省墩身和基础材料,简化施工,提高模板的利用率,达到降低工程造价的目的。

关键词：铁路桥；空心桥墩；总体设计；结构设计；模板倒用率；计算原则

1概述

山区铁路受地形、铁路坡度和线路平面条件的限制，需修建大量的高桥。桥墩的高度较大时，受刚度条件控制，墩身尺寸很大，采用实体墩时混凝土数量很多，基础受力也大，已很不适应。空心墩具有刚度大、自重轻、节省材料、减小基础受力的优点，是桥梁高墩的主要形式之一，特别是高度大于30 m时，优势更为明显。随着施工技术的发展，也促进了空心墩的推广[1]。

采用标准化设计的通用参考图是铁路工程常用设计方法，能简化设计和施工，有利于保证工程质量，减轻设计工作量。结合客货共线铁路圆端形空心墩参考图的设计，对设计空心墩的总体性要素、构造尺寸的确定、计算的项目及计算原则进行详细分析。

2适用范围

(1)设计速度：旅客列车设计行车速度160、200 km/h；货车设计速度不大于120 km/h(转8A货车设计速度不大于80 km/h)；困难条件下曲线半径与相应的设计速度匹配。

(2)直、曲线，曲线半径R≥800 m。

(3)设计跨度及配套梁图

设计跨度采用32 m+32 m、32 m+24 m。由于采用空心桥墩的桥梁，线路走行位置相对较高，桥梁高度相对较高，从跨度高度适配性、经济性等方面考虑，主要以32 m跨度设计为主，24 m跨度调整。

配套梁图采用部颁通桥(2012)2101、通桥(2012)2201、通桥(2012)2109、通桥(2012)2209。

(4)支座类型：采用满足《通桥(2007)8160》的支座。

(5)环境类别及作用等级：T2环境。

(6)设计使用年限：正常使用条件下桥墩结构设计使用寿命为100年。

(7)桥墩设计高度25～50 m；大于50 m的桥墩相对较少，采用标准设计的意义不大。由于空心桥墩施工采用内外模板，施工难度相对较大，墩高低于25 m时实体桥墩与空心桥墩圬工量相差不是很大，采用施工相对简单的实体桥墩。

(8)地震动峰值加速度按Ag=0.05g、Ag=0.1～0.15g、Ag=0.20g三级抗震设计，对应地震动反应谱特征周期分别按Tg=0.35 s、Tg=0.45 s、Tg=0.55 s考虑。

3结构设计

桥墩结构的尺寸主要有墩顶纵横向尺寸、墩身外坡、墩身内坡、墩顶壁厚、墩顶实体段厚、墩底实体段厚、墩顶过渡段倒角尺寸、墩底过渡段倒角尺寸及顶帽纵横向尺寸。

顶帽纵横向尺寸是适用的最小曲线半径、支座尺寸及适用的最大线间距等因素控制，支承垫石边缘距顶帽边缘的最小距离应满足规范的规定，桥墩检查设备等附属工程的设置也会有所不同，设计时应综合考虑各因素后确定[2]。

墩顶实体段厚、墩底实体段厚、墩顶过渡段倒角尺寸及墩底过渡段倒角尺寸是空心墩受力过渡的需要，根据经验，空心墩墩顶实体段一般采用3～5 m。由于实体段的混凝土量较大，为节省混凝土，厚度满足受力要求即可。墩顶实体段暂定为3 m，墩底实体段暂定为2 m，后期通过实体单元分析决定。[3]

墩顶纵横向尺寸、墩身外坡、墩身内坡及墩顶壁厚影响墩身刚度和材料用量，且各尺寸间相互影响。尺寸设计合理时能节省材料的用量，节约施工费用，降低工程造价。

3.1　墩顶壁厚的拟定

对于钢筋混凝土空心墩，壁厚不宜小于30 cm，对于混凝土空心墩，壁厚不宜小于50 cm。壁厚较薄时，混凝土数量较少，但钢筋用量多，且增加施工难度。

局部稳定一般通过增加壁厚来保证，目前一般均不设置横隔板。理论分析和模型试验中，尚未能确定隔板对稳定和强度的明显作用，且设置隔板对施工妨碍较大。从局部稳定试验分析得出，圆形墩的壁厚t≥(1/10～1/15)R和矩形墩的壁厚t≥(1/10～1/15)b时，一般空心墩均可不设置隔板(其中R为圆形截面内外半径之中值，b为矩形截面板宽)。[1]

综上所述，墩顶壁厚暂定为50 cm。

3.2　墩顶尺寸、墩身坡度的拟定

(1)墩顶尺寸、墩身坡度及墩壁厚度对桥墩混凝土用量和纵向刚度的影响

合理的墩顶尺寸、墩身坡度可以节省材料，由表1可知，增加纵向刚度的有效办法依次为墩顶纵向尺寸→墩身外坡→墩顶横向尺寸→墩身内坡→壁厚，目前高墩尺寸主要是受刚度要求控制，为节省材料，最有效的方法是增加墩身纵向尺寸。

表1　尺寸变化时混凝土用量和纵向刚度的变化

(2)墩顶尺寸、墩身坡度的拟定

设计空心墩时，由于不同墩高需要的墩身刚度不同，传统的做法是按墩身高度分级采用不同的墩顶尺寸、墩身坡度、壁厚等做法，现桥墩施工基本采用整体钢模板，设计时应考虑方便施工及减少模板制作。设计采用了3种方案进行比较，以双线桥墩为例说明各方案的情况。

方案1：外坡一致，内坡按照墩高25 m≤H<40 m、40 m≤H≤50 m分二级设计。尺寸详见表2。

方案2：按墩高25 m≤H<30 m、30 m≤H<40 m、40 m≤H≤50 m分三级设计，采用不同墩身内坡和外坡。尺寸详见表3。

表2　方案1墩身尺寸、刚度、数量

方案3：按墩高25 m≤H<30 m、30 m≤H<35 m、35 m≤H<40 m、40 m≤H<45 m、45 m≤H≤50 m分5级设计，内坡和外坡一致，仅墩顶尺寸不同。尺寸详见表4。

表3　方案2墩身尺寸、刚度、数量

表4　方案3墩身尺寸、刚度、数量

各方案模板倒用的情况如下：方案2模板倒用率最低，仅能在同一墩高范围内倒用模板。方案1模板倒用率最高，方案3模板倒用率较高，方案1、方案3模板倒用关系见图1。

图1　外模板倒用关系(单位：cm)

纵向线刚度限值、纵向位移限值和横向位移限值控制桥墩刚度的选取，双线桥墩主要是纵向刚度要求控制，但单线桥墩的横向位移也是控制墩身刚度的条件，合理的桥墩刚度能减小基础的工程量。空心高墩抗震性能良好[4]，由于空心高墩自振周期一般均大于场地特征周期，所以在满足纵向线刚度、纵向位移限值和横向位移限值要求的情况下，刚度越小，自重越小，地震作用越小，受力更合理，特别是对于墩高大于40 m的B类桥梁，由于多遇地震作用下重要性系数为1.5，地震作用减小越明显。[5]

以双线桥墩为例各方案对墩身刚度进行校核，基础配置示意详见图2、图3。方案1基础配置情况见表5。方案2基础配置情况见表6。方案3基础配置情况见表7。

图2　刚度要求的基顶平面(一)

图3　刚度要求的基顶平面(二)

表5　方案1基础配置

注：表中基础刚度未考虑承台抗力，桩顶土地基比例系数m采用8 000 kPa/m2，自由桩长按1.5 m计算。承台均采用2.5 m厚，但50 m墩高的承台不满足刚性角要求，采用3 m厚。

表6　方案2基础配置

注：表中基础刚度未考虑承台抗力，桩顶土地基比例系数m采用8 000 kPa/m2，自由桩长按1.5 m计算。承台均采用2.5 m厚。

表7　方案2基础配置

注：表中基础刚度未考虑承台抗力，桩顶土地基比例系数m采用8 000 kPa/m2，自由桩长按1.5 m计算。承台均采用2.5 m厚。

3种方案比较：方案1优点是外坡一致，内坡变化不多，模板倒用率高，节省施工费用；缺点是高墩时刚度偏小，材料用量大，低墩的刚度偏大，且由于尺寸较大，基础设计时受尺寸控制，并不节省材料。方案2优点是高墩时桥墩刚度大，桥墩较高时材料用量较小；缺点是低墩时刚度偏大，材料用量大，且由于尺寸较大，基础设计时受尺寸控制，基础并不节省材料，另外由于墩身外坡和内坡分级变化，模板倒用少，施工费用高。方案3优点是高墩和低墩时刚度均合适，所有高度的桥墩材料用量小，节省造价；外坡、内坡不变化，外模板较方案1略多一些，内模板的通用性较方案1好。技术经济性比较结果见表8。

综上所述，墩高按25 m≤H<30 m、30 m≤H<35 m、35 m≤H<40 m、40 m≤H<45 m、45 m≤H≤50 m分5级设计：内坡和外坡一致，仅墩顶尺寸不同，方案3优势非常明显。

表8　3个方案技术经济比较

由于墩身刚度要求导致截面尺寸较大，根据局部稳定要求，采用壁厚0.5 m也比较合适。

4空心墩计算原则

(1)常规力检算

按照《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》(TB10002.4—2005)和《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)进行常规荷载、断轨力作用下的墩身强度检算。

常规力包括恒载、活载、离心力、摇摆力、无缝线路长钢轨纵向水平力、制动力或牵引力、温度荷载、风荷载，按规范进行组合后检算桥墩强度、刚度、稳定性。[6]

(2)墩身整体纵向稳定性

按照《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》(TB10002.4—2005)第5.1.2条，对桥墩的整体纵向稳定性进行检算。

(3)空心桥墩墩身局部稳定

局部稳定由结构尺寸控制。根据铁路设计技术手册《桥梁墩台》，最小壁厚t满足下式：t≥(0.1～0.067)R(R为墩身半径)或t≥(0.1～0.067)b(b为墩身宽度)时，可不检算墩身局部稳定性，设计的尺寸均满足该条件，不再检算局部稳定。

(4)空心桥墩固端干扰应力计算

根据铁基字(75)953号文规定，高度在50 m以内的空心墩，按悬臂理论计算的截面应力增大50%的办法计算局部应力，并采用空间实体模型对顶帽及上下空实交接截面的受力进行计算分析验证。同时对墩顶、底实体段进行了有限元分析，根据计算结果配置顶帽、托盘、空实交界处的配筋。

(5)空心桥墩温度应力计算

空心墩由于墩内通风不良，且混凝土本身导热性能低，故当墩周气温发生骤变时，墩壁内外产生较大温差，温差沿墩壁厚度分布是非线性的，而截面变形服从平截面假定，于是截面温度变形受到约束而产生内约束温度应力。温度应力应分别按气温升温、太阳辐射升温和寒潮降温进行计算。根据计算结果检算桥墩竖向钢筋和箍筋[7-8]。

对于高大桥墩受温度荷载作用下，有砟无缝线路的受力和变形已经做了大量研究[9-13]，研究结果是高墩大跨桥梁可不考虑桥墩温度变形对线路受力的影响，设计仅考虑温度变化对桥墩自身的受力影响。

(6)空心桥墩自振周期

空心桥墩的纵、横向基阶自振周期

T1<0.25H0.5

式中T1——桥墩纵、横向基阶自振周期；

H——桥墩墩顶至基础顶面的高度。

(7)地震作用检算

按照《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》(TB10002.4—2005)[14]、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)[15]和《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)[16]进行常规荷载、断轨力及多遇地震作用下的墩身强度检算，检算时对配套梁图和跨度均进行计算。

设计通用图时应考虑适应范围应尽可能包括经常遇到的情况，明挖基础一般用于地质条件较好的场地上，所以检算时按地震动反应谱特征周期Tg=0.35 s，基础按墩底固结考虑；桩基础按地震动反应谱特征周期Tg=0.45 s和0.55 s分别进行计算；计算时桩基假定按纵向线刚度为600 kN/cm、横向刚度应满足墩顶的位移要求，根据计算结果配置竖向钢筋。

(8)延性分析

对罕遇地震作用下进行延性分析，采用Xtract软件计算墩底截面的屈服曲率、屈服弯矩及极限曲率，得到桥墩有效截面抗弯惯性矩。[17]在Midas软件中建立桥墩模型，对截面的惯性矩进行调整，输入相应的罕遇地震反应谱，对结构进行分析，得到桥墩的最大位移，检算竖向钢筋和箍筋的配置。

在计算前先采用了Seismostruct软件建立桥墩纤维单元模型，进行时程反应分析，得到桥墩的最大位移的方法对设计采用的方法进行了验证。

5结论

空心墩具有刚度大、自重轻、节省材料、减小基础受力的优点，经过系统的分析铁路空心墩的各尺寸要素对结构的影响，主要研究结论如下。

(1)空心墩增加纵向刚度的有效办法依次为墩顶纵向尺寸→墩身外坡→墩顶横向尺寸→墩身内坡→壁厚。

(2)目前高墩尺寸主要是受刚度要求控制，为节省材料，最有效的方法是增加墩身纵向尺寸。

(3)为节省模板墩身坡度宜减少种类。

(4)综合考虑各高度桥墩刚度的要求，可采用改变墩顶纵向尺寸，但采用相同的墩身外坡和内坡，在适当增加外模的情况下，达到各种高度桥墩均获得合理刚度的要求；且内坡一致后，内模也相应获得简化。

设计中创新地采用统一的内坡和外坡、分级采用不同的墩顶尺寸的设计思路设计了客货共线铁路简支T梁圆端形空心墩参考图，该套设计图具有节省材料和施工模板、造价低的优点。随着社会经济和铁路建设的快速发展，该空心墩将广泛应用于客货共线铁路桥梁中，将产生显著的经济效益。

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General Design of Round-ended Hollow Pier Reference Plot for Mixed Passenger and Freight RailwayWU Wen-hua

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Based on the reference plot design of simple-supported T-shaped girder round-ended hollow pier for mixed passenger and freight railway, this paper analyzes the general elements and the determination of structure size, and summarizes the items that should be calculated and calculation principles. The results show that appropriate stiffness can be acquired with proper design scheme and structure size to save materials for pier and foundation, simplify construction organization, improve formwork utilization and reduce project cost.

Key words：Railway bridge; Hollow pier; General design; Structure design, Formwork utilization; Calculation principle

中图分类号：

文献标识码：

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.014

文章编号：1004-2954(2016)02-0066-05

作者简介：吴文华(1976—)，男，高级工程师，2000年毕业于石家庄铁道学院交通土建工程专业，工学学士，E-mail:qswwh@fsdi.com.cn。

收稿日期：2015-09-09； 修回日期：2015-11-10