四线铁路连续梁空心薄壁刚架主墩设计

刘 彬

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

在我国西南山区铁路的桥梁建设中，受地形地貌、道路立交、行洪通航、车站选址等多重因素的影响，易出现站内多线高架桥，一般采用上部结构大跨度连续梁，下部结构为高墩的形式，桥墩及基础工程过大。本文以玉磨铁路立新寨四线特大桥为例，对多线高架桥桥墩构造及结构分析进行探讨。

1 工程背景

玉磨铁路为双线时速160 km的客货共线铁路。立新寨四线特大桥为站内多线铁路桥梁，桥上为立新越行站。该桥前接立新隧道出口，后接月牙田隧道进口，桥位受立交、地形、水文、道岔控制。

桥位处地形地貌属构造侵蚀低中山地貌，地形起伏较大，地面相对高差约140 m，自然坡度约10°～30°，局部稍陡。坡面植被不发育，多为灌木及杂草，平缓地段多被垦为耕地，局部为荒地，经济农作物主要为芒果树，施工便道与310省道相通，交通方便。桥区地震动峰值加速度为0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s。主桥跨越底宽为3.5 m的山区冲沟，根据形态勘测法算得水文三要素H1%=1 158.11 m、 Q1%=485.46 m3/s、V1%=4.75 m/s。测区主要地质成分为粉质黏土、泥质板岩夹白云岩、变质砂岩。

2 总体布置

立新寨四线特大桥中心里程为：D1K 67+407，孔跨布置式样为：(2×24) m简支梁+(17×32) m简支梁+(48+3×80+48) m连续梁，全长952.80 m。线路在D1K 67+287～D1K 67+527采用(3×80) m双幅连续梁跨越V字型深沟，轨面至沟底最大深度为74.5 m，最大墩高为62.5 m。全桥轨面位于-3‰的下坡段，线路平面位于直线上，主墩分别采用双柱实体钢筋混凝土墩、双柱空心薄壁刚架墩和实体墩。其中双柱空心薄壁墩配普通钢筋混凝土帽梁，承台加设2层垫块，基础采用钻孔摩擦桩，总布置图，如图1所示。

图1 立新寨四线特大桥总布置图(cm)

3 空心薄壁刚架墩构造

在墩高不超过15 m的情况下，四线并行的简支梁桥墩采用单线+双线+单线布置时，均采用相应通用图中的实体墩，这样布置的优点在于各线桥墩结构分离，受力明确，设计采用普通桥墩，可减少设计和施工成本；当墩高大于15 m，桥墩坡度为放坡设置时，单线与双线墩的墩底截面会相互重叠。为避免这种情况的发生，一般可采用双柱或三柱刚架墩的型式予以避免[8]。但双柱或三柱刚架墩在受不良地质情况影响时，若控制不好不均匀沉降，柱身与帽梁之间混凝土易发生开裂。

当墩高超过40 m时，双柱式或三柱式实体刚架墩则显得不经济。因为随着墩身高度增加，桥墩的稳定性、综合线刚度会随之降低，为了满足各项指标要求，实体墩尺寸及自重显著增大，从而造成结构及基础成本的增加。本桥21号墩墩高达62.5 m，且上部结构为双幅双线大跨连续梁，通过对实体墩、双柱实体墩、三柱实体墩、双柱空心墩、三柱空心进行综合比选，推荐立新寨四线特大桥20号主墩采用双柱式实体刚架墩，21号、22号主墩采用双柱式空心薄壁刚架墩，23号主墩采用了板式实体墩。

21号、22号主墩采用的双柱式空心薄壁刚架墩，其优点在于自重轻、刚度大、稳定性强、检修方便且施工技术成熟[5]。帽梁采用厚度为5.0 m的普通钢筋混凝土结构，柱身采用分段的普通钢筋混凝土空心结构，并在柱身的实体段设置变截面实体横系梁，以提高墩柱横向稳定性。考虑到空心墩检查需要，在柱身顺桥向的侧面设置进人洞，并在柱身实体段设置竖向的过人孔，以方便检修人员能进入不同分段的空心段内。21号和22号墩均位于横坡较陡的山坡上，为最大限度减少基坑开挖对坡面的破坏，采用不等高双柱及分离式桩基础的形式。由于横桥向为柱间距13.0 m的双柱，横向刚度较纵向易控制，因此，柱身仅在纵向设置40∶1放坡，横桥向采用1∶0直坡。22号墩墩高虽低于21号墩，但固定支座设置于该墩，受(48+3×80+48)m连续梁全联制动力影响，22号墩纵向墩颈尺寸比21号墩略大。为统一全桥桩径、节约投资、方便施工，通过对直径1.5 m与1.8 m的桩基础进行分析比较，最终选用直径为1.5 m的群桩基础。

4 结构计算分析

双柱式刚架墩为超静定结构，受力较为复杂，结构内力受外荷载、各构件刚度大小、结构边界条件、温度变化及混凝土收缩徐变产生的二次内力的影响[7]，计算时简化为平面杆系结构。本桥21号主墩设置活动支座，不受列车制动力影响，其横向设计是该墩的关键。本桥22号固定主墩，虽构造与21号墩大体一致，但为满足无缝线路轨道结构的变形要求，纵向设计是该墩的关键[1-4]。

4.1 单墩建模计算

采用MIDAD CIVLE软件分别建立21号和22号桥墩模型，帽梁、墩柱、横系梁均用梁单元模拟，桩基础采用与承台连接节点6个方向的实际刚度模拟，墩柱混凝土弹性模量E采用0.8Ec(Ec为混凝土的受压弹性模量)。

单墩MIDAS模型中柱身按偏心受压构件检算了X与Y方向的强度、稳定性、裂缝宽度、墩顶位移、综合线刚度等。帽梁与横系梁均按普通钢筋混凝土纯弯构件检算了抗弯强度、抗剪强度、裂缝宽度等。根据GB 50111-2016《铁路工程抗震设计规范》相关规定，对墩柱进行了延性简算，结果表明在罕遇地震工况下，墩柱的μ值满足不大于4.8的要求，地震工况不控制设计。

4.1.1 21号活动主墩横向受力分析

根据活载作用情况，桥墩设计计算了主力、主+附和主+地震的荷载组合共7种工况，其中体系温度变化按整体升降温20℃考虑。

(1)主力组合

组合一：恒载+到发线1线偏载

组合二：恒载+到发线1线偏载+正线1线偏载

组合三：恒载+到发线1线偏载+正线2线活载

组合四：恒载+到发线2线活载+正线2线活载

组合五：恒载+8股道的伸缩力或挠曲力(取较大者)

(2)附加力组合

组合六：各主力组合+支座摩阻力+风力+整体升降温20℃

(3)地震力组合

组合七：恒载+2线活载+多遇地震荷载

各工况下21号墩柱偏压计算结果，如表1所示。

表1 21号墩柱偏压计算结果表

在各工况计算中，通过对比帽梁的正、负弯矩值和横向位移来确定最佳的横向柱间距，结果表明，柱间距13.0 m时，帽梁最大正弯矩为6.46×104kN·m，最大负弯矩为8.12×104kN·m，墩顶横向位移值为1.346 cm，满足帽梁上下缘配筋、梁端水平折角及连续梁横桥向位移的要求。根据帽梁内力包络图配置钢筋，上缘支点及下缘跨中处均配φ32 HRB400主筋(3根1束)，箍筋间距10 cm，并在支点剪力较大处设置抗剪斜腹筋。

墩柱受到列车横向摇摆力、风力、温度力及收缩徐变的影响，在横桥向，墩柱控制截面一般在墩柱与帽梁、横系梁及基础的连接处，根据内力包络图对墩柱进行了运营阶段的结构强度及裂缝等检算。根据以往经验，一般在柱高超过15 m时应设置横系梁，本桥21号墩左柱高54.5 m，右柱高57.5 m，为提高墩柱的横向刚度及墩柱稳定性，在距帽梁底18 m、37 m处分别设置2道横系梁。

4.1.2 22号固定主墩纵向受力分析

22号墩与21号墩构造形式一致，也采用了双柱式空心薄壁刚架墩，左柱高为31 m，右柱高为28 m。该墩上部为主跨(3×80) m，联长337.4 m的双幅连续梁，墩顶设置了双幅连续梁的固定支座，墩顶承受四线竖向活载，同时全联连续梁2线制动产生的制动力均由固定支座承担。经计算，为满足全联连续梁制动产生的纵向力，桥墩加强了纵向尺寸的设计，墩径纵向尺寸调整为6.50 m，比21号主墩宽0.5 m。桥墩计算共考虑7种工况。

(1)主力组合：同21号墩

(2)附加力组合：各主力组合+全联连续梁制动力+风力+整体升降温20 ℃

(3)地震力组合：同21号墩

在22号墩纵向刚度设计中，需重点考虑连续梁上轨道力对刚架墩的影响。在铺设无缝线路的桥梁上，因梁部结构与轨道的相互作用而产生的“长钢轨纵向水平力”往往控制桥墩的纵向变形，必要时需在轨道上设置温度调节器。一般主跨不大于120 m时可不设置温度调节器[6]，基于此本桥未设置温度调节器。

本桥墩所受的钢轨力如表2所示。根据TB 10002-2017《铁路桥涵设计规范》表4.3.13，考虑了最不利工况为恒载+双线活载+双线制动力+4股道钢轨伸缩力+活动墩传递的摩阻力+温度力。经计算，控制截面墩底空心交界面纵向弯矩为1.511 29×105kN·m，轴力为5.995 1×104kN，配置φ32 mm的HRB400钢筋60根(2根1束)。混凝土最大压应力σh=8.8 MPa,受拉钢筋最大应力σg=126.3 MPa，墩顶纵向位移dy=2.312 cm，桥墩混凝土压应力σc=3.438 MPa，均满足规范要求。

表2 22号墩墩顶轨道力

4.2 全桥建模计算

建立主跨(48+3×80+48)m全桥模型，主要对连续梁主跨部分的横桥向自振频率进行检算分析。采用Midas软件进行建模，各构件采用空间单元模拟。预应力连续梁箱梁的刚度与质量集中到主梁1/2梁高处；桥墩、承台采用梁单元进行模拟，桩基础刚度的影响通过承台底节点弹性支承中3个方向的水平刚度与3个方向的转动刚度进行模拟，梁和墩之间的联结根据实际支座类型采用主从关系处理，几何模型如图2所示，二期恒载取166.7 kN/m，作为均布质量加载到梁体单元中，通过344个单元的特征值分析模型，得出在模态2工况下，主振型在横桥Y方向的自振频率f=0.723 Hz，周期T=1.383 s，满足最大自振周期允许值[T]=0.25×SQRT(H)=1.976 s(H取全桥最高墩高62.5 m)的要求。

图2 MIDAS几何模型

5 结束语

(1)山区四线铁路连续梁高墩采用双柱薄壁空心刚架墩是可行、合理的。

(2)列车活载在连续梁上产生的制动力是控制立柱构造尺寸的主要因素。

(3)合理选择墩型、构造尺寸以及适当提高固定墩纵向线刚度值，对车站渡线范围的梁部与轨道协调受力起重要作用。