高速铁路接触网预制桩基础探究

侯文君，刘 津，罗 健



高速铁路接触网预制桩基础探究

侯文君，刘 津，罗 健

高速铁路接触网支柱基础的稳定性对列车运行安全至关重要，接触网支柱现浇混凝土桩基础施工效率低、工期长、易污染环境、现场施工质量不易控制。本文提出一种工厂预制混凝土桩基础，该基础预制构件精度高、无污染、制品质量易控制。

高速铁路；接触网；基础；预制

0 引言

接触网支柱基础的稳定性对列车安全运行至关重要，直接影响电气化铁路的运营安全。高速铁路一般采用现浇混凝土桩基础，成孔过程采用人工挖孔或机械钻孔，需要等待混凝土达到一定强度等级才能立柱悬挂接触网，施工周期较长。现场浇筑混凝土对线路周边的环境影响较大，耗费人力，且使用范围受限。本文提出一种工厂预制桩基础，采用新型结构形式，并结合计算软件对预制桩基础进行承载力验证和结构性能试验。

1 现浇混凝土桩基础

传统现浇混凝土桩基础一般采用C25或C30强度等级混凝土、HRB400纵向钢筋及HPB300螺旋箍筋，桩径为700 mm，结构为实心混凝土，整个桩基础重约3.5 t，如图1所示。

2 预制混凝土桩基础技术特点

（1）强度高。采用C60强度等级以上高强度混凝土和优质预应力钢丝制造，基础的抗压性能和抗弯性能大大提高，在保证垂直线路方向承载力的基础上，提高了顺线路方向的承载力，结构性能稳定，可承受多向荷载，使用安全可靠。

（2）重量轻。在现浇桩基础直径不变前提下，优化为空心结构，可节约混凝土的用方量，降低了原材料成本，减轻了整体重量，有利于运输。

图1 现浇混凝土桩基础示意图

（3）基础设计合理。预制混凝土桩基础设计依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），对基础的预应力筋和非预应力筋进行选配，并对其沉降、混凝土抗裂性等一系列性能进行计算，确保基础设计的合理性、准确性和经济性。

3 预制桩基础结构分析

3.1 基本结构

预制桩基础按容量分为YZQ80、YZQ100、YZQ120、YZQ140、YZQ160系列，其型号及检验弯矩见表1，基础外形见图2。不同容量的基础长度不同，预制桩基础的长度应包括混凝土基础长度及基础两端的法兰盘长度，不包括预埋地脚螺栓等附加配件的长度。

表1 基础的标准设计弯矩 kN·m

图2 预制混凝土桩结构示意图

3.2 承载力验算

为了验算新型预制桩基础配筋是否满足设计要求，以YZQ120为例，进行抗弯抗裂承载力验算。取外径= 700 mm，内径= 300 mm，壁厚= 200 mm，Ⅰ型，混凝土强度等级C60，预应力钢筋f14D10.7，螺旋筋规格b6。

3.2.1 混凝土有效预压应力pc验算

预应力钢筋面积及支护桩截面面积为

p= 90×14 = 1 260 mm2

放张时预应力混凝土钢筋与混凝土的弹性比：

预应力放张后预应力钢筋的拉应力：

放张后混凝土预压应力：

混凝土的蠕变及收缩引起的预应力钢筋拉应力强度损失：

式中，为预应力混凝土钢筋与混凝土的弹性比；为混凝土的蠕变系数，取2.0；s为混凝土的干缩率，取0.000 15。

预应力钢筋因松弛引起的拉应力强度损失：

Dr=0(pt-2Dpy)

=2.5%×(965.2-2×70.1) = 20.6 MPa

式中，0为预应力钢筋松弛系数，取2.5%。

则预应力钢筋的有效拉应力为

pe=pt-Dpy-Dr= 874.5 MPa

混凝土有效预压应力为

3.2.2 抗裂弯矩cr验算

截面惯性矩0：

换算截面弹性抵抗矩0：

抗裂弯矩cr：

cr= [(pc+tk)×0] / 106

=(3.52 + 2.0×2.14)×33.25 = 259.35 kN·m

式中，为混凝土离心工艺系数，C60混凝土取2.0；tk为混凝土抗裂强度设计值。

3.2.3 极限弯矩u验算

依据GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》进行计算，可得预制桩基础的极限弯矩计算式。

t= 1-1.5（2）

将各数据代入式（3）得

u= 401 kN·m

3.2.4 设计弯矩验算

u/ 1.4 = 401 / 1.4 = 286.4 kN·m

经过一系列计算，得到该预制桩的极限弯矩为401 kN·m，设计弯矩为286.4 kN·m，容量远远大于120 kN·m，满足容量要求。

3.3 成品结构性能试验

为了检验预制桩基础能否满足高速铁路对结构挠度的要求，对成品进行一系列性能试验。以表1中所列标准检验弯矩为依据，试验方法如下：将预制桩基础埋于经过地基处理的高速电气化铁路路基中，预开钻孔可取桩径的2/3，约为450 mm，根据施工具体要求埋设桩基础，架立混凝土支柱，如图3所示。

图3 桩基础加载示意图

（1）根据TB1009-2016《铁路电力牵引供电设计规范》要求，将2种不同类型的混凝土支柱弯矩加载至导高处挠度检验弯矩时（表2），测量其导高处的挠度，对于高速铁路的接触线高度（导高）处挠度应不大于25 mm。

（2）将混凝土支柱弯矩加载至柱顶挠度检验弯矩时（表2），其柱顶挠度应不大于1.5/100（为柱高）。

（3）将混凝土支柱弯矩加载至标准检验弯矩，加载方法参考TB/T 2286.2-2015《电气化铁路接触网预应力混凝土支柱第2部分：环形支柱》，记录不同阶段的基础转角与水平位移，并与表3的限值进行比较。

（4）将其加载至承载力检验弯矩（为标准检验弯矩的200%）时，不应出现下列任一种承载能力极限状态：a.受拉区混凝土裂缝宽度达到1.5 mm；b.受拉钢筋被拉断；c.受压区混凝土破坏。试验结果均满足上述要求，则可认为基础满足设计要求。

表2 支柱的检验弯矩

表3 基础转角与水平位移限值

试验结果：以f350 120/11+3支柱为例，在标准检验荷载弯矩值100%时，基础水平位移随时间变化曲线见图4，基础转角变化曲线见图5。

图4 标准检验荷载弯矩值100%时基础水平位移变化曲线

图5 标准检验荷载弯矩值100%时基础转角变化曲线

通过对不同型号支柱基础进行结构性能试验，得到3种不同型号的支柱基础转角与水平位移均满足限值要求，导高处的挠度均满足接触线导高处挠度不大于25 mm的要求；在150%标准检验荷载弯矩作用下，桩四周土未出现侧向挤出、倾覆现象，基础稳定。由此可见，预制桩基础完全符合设计要求，能够替代现浇式桩基础在电气化铁路中应用。

4 结语

工厂化、预制化是高速铁路现代化进程的一种趋势，预制混凝土桩基础在传统施工方式上做出了重大革新。需注意的是，预制混凝土桩基础在现场钻孔时，实际钻孔直径应比桩身直径大50～100 mm，以便于现场施工，桩基础安装到位后，可用水泥砂浆或细石混凝土填充缝隙，达到基础与孔侧壁可靠密贴。

通过预制混凝土桩基础设计，可大大缩短施工工期，解决了现浇混凝土桩基础污染环境以及人工开挖困难等一系列问题；在保证原基础承载力的基础上，大幅提高了基础的强度；基础优化设计为空心，达到了节省混凝土用料、降低成本、减轻基础重量的目的，具有推广意义及良好的产业化前景。

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[5] 龙驭球，包世华. 结构力学[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

The stability of the mast foundations of overhead contact line for high speed railway is crucial to the safety operation of the trains, the construction efficiency of concrete pile foundations of masts of overhead contact line is low, and the construction period is long, and is liable to pollute the environment; the construction quality is not easy to be controlled. The paper proposes a type of factory prefabricated concrete foundations, which are of high structural accuracy, non-pollution, with quality of the products being easily controlled.

High-speed railway; overhead contact line; foundation; pre-fabrication

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.016

U225.4+2

B

1007-936X(2018)06-0067-03

2018-07-17

侯文君.中铁三局集团电务工程有限公司，高级工程师；

刘 津.中国铁路设计集团有限公司，工程师；

罗 健.中国铁路设计集团有限公司，高级工程师。