高速铁路高立柱大跨度钢横梁框架墩设计研究

历付

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 工程概况

随着我国高速铁路的大规模建设，新建线路越来越多，导致新建线与既有线交叉跨越的情况不断出现，尤其是上跨线路与既有线交叉角度较小，跨越时与既有线重叠面积较大，无法实现直接跨越。而既有线运营繁忙，可提供的有效作业时间非常少，国内外客货共线铁路、客运专线及城际铁路采用框架墩形式跨越既有线的应用较多，框架墩横梁及主梁基本为小跨度结构，高立柱、大跨度钢横梁墩上设跨度24 m 双线简支箱梁的框架墩结构在时速350 km 高速铁路尚无应用实例［1-3］。因此，研究采用钢横梁框架墩结构实现了高速铁路桥梁安全顺利跨越，保证了行车安全，解决了施工难题，具有很好的推广意义。商合杭高铁商丘特大桥和亳州特大桥跨越既有线均采用大跨度框架墩形式（见图1），为满足既有线快速施工需求，框架墩横梁采用钢结构，吊装施工。以商丘特大桥为例，介绍大跨度钢横梁框架墩设计要点。

图1 大跨度框架墩

商合杭高铁商丘特大桥主要技术标准如下：

（1）设计速度：350 km/h。

（2）线路情况：双线，线间距5.0 m，平面线形为直线，竖向有纵坡。

（3）轨道类型：CRTSⅢ型板式无砟轨道，轨顶至梁顶高738 mm。

（4）地震基本烈度Ⅶ度，动峰值加速度0.1g。

（5）环境：一般大气条件下无防护措施的地面结构，环境类别为碳化锈蚀环境T2级。

（6）设计年限：主体结构在正常养护维修条件下为100年。

2 结构设计

2.1 横梁结构形式选择

常用的框架墩横梁结构形式有矩形截面混凝土横梁、箱形截面混凝土横梁、箱形截面钢横梁等［4-5］。

（1）矩形截面混凝土横梁通常采用预应力混凝土，支架现浇施工。框架墩跨越单线铁路、上下两线交叉角度很小或墩位位于上下两线交叉点附近时，其横梁跨度可能很小，且由于横梁上支座位置处采用实心截面，如果横梁采用箱形截面，横梁空心段落很短且分布零散，虽然能降低部分自质量，但降幅有限，反而增加施工难度，一般建议墩柱跨度15 m 及以下时，采用矩形截面混凝土横梁。

（2）箱形截面混凝土横梁通常采用预应力混凝土，支架现浇施工。箱形截面混凝土横梁与矩形截面混凝土横梁相比，自质量轻、材料省。以高2.8 m、宽3.0 m、壁厚0.5 m 的箱梁为例，横梁每米自质量降低8.8 t，混凝土方量降低3.52 m3。此外，由于自质量减轻，有效降低了横梁的跨中弯矩及自质量作用下的挠度、墩柱轴力，一方面节省了预应力束、钢筋数量，另一方面优化了主梁及墩柱的设计，提高了结构强度安全系数。目前工程应用中，箱形截面混凝土横梁适用的最大跨度通常不超过25 m，当横梁上简支梁为32 m 梁、墩高较高或较矮时其适用的最大跨度相应减小。这是由于框架结构为多次超静定结构，混凝土横梁跨度越大，收缩、徐变、预应力及温度效应越明显，对横梁、墩柱产生的次内力越大，往往成为控制设计的关键环节。根据对相同横梁跨径、墩高及不同横梁形式（混凝土箱梁和钢箱梁）2个模型的试算，横梁往往是强度控制设计，钢横梁的强度储备优于混凝土横梁，且钢横梁模型墩柱受力远低于混凝土横梁模型，说明预应力、收缩徐变、温度次内力作用较为显著。

（3）从结构受力合理的角度分析，混凝土横梁受收缩、徐变等效应影响，跨度不宜超过25 m（上部简支梁跨度大、墩高较高或较矮时，横梁最大适用跨度应再减小），超过此跨度的框架墩横梁宜采用箱形截面钢横梁。箱形截面钢横梁与混凝土横梁相比，具有自质量轻、承载力强、跨越能力强及采用吊装施工对既有线运营干扰小等优点，当既有线施工条件受限、需快速跨越施工时，钢横梁是最好的选择。同时钢横梁由于自质量轻，有利于墩柱横向受力，以横梁跨度30 m、墩柱高度10 m 进行分析，混凝土横梁和钢横梁对立柱的受力影响见表1。

表1 柱顶弯矩 kN·m

由表1可知，与混凝土横梁相比，钢横梁在主力作用下墩顶弯矩减少50%左右，主力+附加力作用下墩顶弯矩减少42%。说明大跨度横梁时，钢横梁自质量减轻、不计收缩徐变作用有利于减轻框架墩立柱横向受力。

商丘特大桥跨越既有线横梁跨度为30 m，墩全高17.5～22.0 m，横梁上为跨度24 m 的双线简支梁，其横梁跨度大、墩柱高，同时所跨工点既有线运营繁忙，不适合采用现浇施工。通过综合分析，商丘特大桥框架墩横梁采用箱形截面钢横梁形式，吊装施工。

2.2 结构构造

以商丘特大桥框架墩设计为例，对大跨度钢横梁框架墩结构进行分析，商丘特大桥56#墩跨越西南联络线，交叉角度9.8°，由于角度太小，采用框架墩结构跨越既有线。框架墩横梁跨度30 m，墩全高17.5～22.0 m。墩上梁型为24 m双线无砟轨道预制简支箱梁。

框架墩横梁采用钢结构，箱形截面，箱宽3 200 mm，箱高3 500 mm，顶、底板板厚36 mm，腹板板厚28 mm，顶、底板及腹板设置加劲肋，顶、底板纵向加劲肋宽360 mm、厚24 mm，横向加劲肋宽400 mm、厚24 mm，腹板加劲肋宽200 mm、厚20 mm，横梁计算跨度30 m。墩柱采用弧形变宽截面，中间直线段截面横桥向宽3.0 m、顺桥向宽3 m，柱顶、底截面横桥向宽3.5 m、顺桥向宽3.0 m，墩柱高18.5 m。框架墩立面布置见图2，横梁截面见图3。

图2 框架墩立面布置图

图3 横梁截面

3 结构计算分析

3.1 钢横梁整体稳定性验算

横梁为箱形截面，顶、底板板厚36 mm，腹板板厚28 mm，主梁材质采用Q370qE，其屈服强度fy=370 MPa（板厚t≤50 mm），计算长度l1=30 000 mm 和26 000 mm，取30 000 mm进行计算。

参考GB 50017—2003《钢结构设计规范》规定：箱形截面简支梁，当截面尺寸满足h/b0≤6、l1/b0≤95（235/fy）时（h为顶、底板间距，b0为腹板间距），可不计算整体稳定性。

商丘特大桥框架墩横梁在墩柱上采用先铰接后固结的施工方法，因此在铰接状态下，h/b0=3 530/3 200=1.1≤6、l1/b0=30 000/3200=9.375≤95（235/fy）=60.3，满足截面尺寸要求；在固结状态下，横梁的计算长度为铰接的0.5倍，对整体稳定更加有利，整体稳定性满足要求。

3.2 钢横梁加劲肋设计

3.2.1 顶、底板纵向加劲肋

参考《公路钢结构桥梁设计规范》规定：当腹板间距大于翼缘板厚度的80 倍时必须设置纵向加劲肋，受压翼缘加劲肋间距宜小于翼缘板厚度的40 倍，应力很小和由构造控制设计的情况下可放宽至80 倍。受拉翼缘加劲肋间距宜小于翼缘板厚度的80倍。

设计中，横向腹板间距b0=3 172 mm≥80t=80×28=2 240 mm，故翼缘板需设置纵向加劲肋，加劲肋间距s≤40t=40×28=1 120 mm，设计中，上、下翼缘设置3 道纵向加劲肋，水平间距800 mm。

设置顶、底板纵横向加劲肋是防止板件在压应力作用下局部失稳的最有效方法。分析计算顶、底板局部稳定性时，可近似简化为由箱梁腹板和横隔板围成的四边简支加劲肋。

根据《铁路桥梁钢结构设计规范》规定，加劲肋宽厚比不得大于15，顶、底板纵向加劲肋宽厚比b/t=360/24=15，满足规范要求。

参考日本《道路桥示方书》中的规定，纵向加劲肋的刚度和面积必须满足以下要求：

式中：b为加劲肋宽度（腹板间距），mm；t为加劲肋板厚，mm；n为被加劲肋分割的局部板件数目，n=nl+1；nl为纵向加劲肋数目；γl，req为加劲肋刚度比。

通过计算，顶、底板纵向加劲肋为刚性加劲肋，刚度和面积验算见表2。

表2 框架墩顶、底板纵向加劲肋验算结果

3.2.2 顶、底板横向加劲肋

根据《公路钢结构桥梁设计规范》规定，对开口横向加劲肋间距不宜大于3 m。设计中顶、底板横向加劲肋板厚24 mm、宽度400 mm，间距2 m，满足规范要求。

3.2.3 腹板加劲肋

横梁腹板h/t=3 494/28=125，根据《铁路桥梁钢结构设计规范》，当140≥h/t＞50时，应设置中间竖向加劲肋，其间距不应大于2 m。设计中横隔板间距2 m，横隔板之间的腹板再设置竖向加劲肋，加劲肋板厚24 mm、宽度360 mm，满足规范要求。

钢桥设计中，提高腹板稳定性的方法主要为增加板厚和设置加劲肋2种，其中设置加劲肋的方法效果更加显著，设计中最为常用。该框架墩横梁腹板h/t=3 494/28=125，根据《铁路桥梁钢结构设计规范》规定，当140≥h/t＞50 时，应设置中间竖向加劲肋，其间距不应大于2 m。设计中竖向加劲肋宽度360 mm、板厚24 mm，间距取2 m，伸出肢宽厚比b/t=360/24=15，满足规范宽厚比不得大于15的要求。

根据《铁路桥梁钢结构设计规范》规定，当用竖向加劲肋和水平加劲肋加强腹板时，加劲肋的截面惯性矩不得小于：3hδ3（竖向加劲肋）、（水平加劲肋，但不得小于1.5hδ3）。其中，h为腹板计算高度，mm；δ为腹板厚，mm；α为加劲肋间距，mm。框架墩加劲肋惯性矩验算见表3。

3.3 钢横梁横隔板设计

为了减少钢箱梁产生畸变和横向弯曲，增加箱梁整体刚度，设计中在钢横梁的立柱支点、简支梁支座位置及跨间设置实腹式横隔板，截面及计算简图见图4、图5。

表3 框架墩加劲肋惯性矩验算结果 mm4

图4 横隔板截面

图5 横隔板计算简图

3.3.1 刚度验算

（1） 横隔板间距。横隔板间距LD参考经验公式［6-7］：

式中：L为桥梁的等效跨径，m。设计中L=30 m，LD≤6 m，横隔板间距取2 m。

（2）横隔板刚度。参考相关规范，实腹式横隔板刚度如下：

式中：G为钢材剪切模量，取8.1×104N/mm2；tD为横隔板板厚，取20 mm；A为箱梁面积（箱梁板壁中心线围成的面积），mm2。

横隔板刚度需满足以下条件：

式中：E为钢材弹性模量，取2.1×105N/mm2；Idw为箱梁截面主扇性惯性矩，mm4；Fu为箱梁上顶板截面面积（包括加劲肋），mm2；Fl为箱梁下底板截面面积（包括加劲肋），mm2；Fh为1 个腹板的截面面积，mm2；Bu、b1分别为上顶板相关尺寸，mm2；Bl、b2分别为下底板相关尺寸，mm2；Ifl为底板对箱梁中心轴的惯性矩，mm4；Ifu为顶板对箱梁中心轴的惯性矩，mm4；H为腹板长度，mm。

根据以上计算公式，对56#框架墩进行横隔板最小刚度验算，结果见表4，可见结果满足规范要求。

3.3.2 应力验算

（1）中隔板。中隔板应力简图见图6，剪应力计算如下：

表4 框架墩横隔板最小刚度验算结果

图6 中隔板应力简图

式中：τu为中隔板顶部剪应力，MPa；τh为中隔板腹板剪应力，MPa；τl为中隔板底部剪应力，MPa；Td为箱梁最大扭矩，kN·m。

对56#框架墩进行中隔板剪应力验算，结果见表5，可见结果满足规范要求。

表5 框架墩中隔板剪应力验算结果

（2）墩顶横隔板。框架墩墩顶与钢梁在固结之前处于简支状态，在运梁车通行施工阶段支点横隔板承受了最大支座反力。支点横隔板除了限制箱梁变形、保持断面形式外，另一主要作用是将支座反力合理地传到箱梁腹板上，为了分散和传递支点集中荷载，通常箱梁底板设置支垫板，横隔板上焊接支承加劲肋，按《铁路桥梁钢结构设计规范》规定，支承加劲肋的伸出肢宽厚比不应大于12，该桥横梁支承加劲肋宽厚比b/t=360/30=12，满足规范要求，此外还需验算横隔板和支承加劲肋的局部承压应力和压杆稳定应力。

局部承压应力计算：

压杆稳定应力计算：

式中：[σb]为局部承压容许应力，MPa；[σc]为轴心受压容许压应力，MPa；φ为轴心受压容许压应力折减系数，按《铁路桥梁钢结构设计规范》取值，压杆计算长度按规定取支承处横向联结系上、下两节点间距的0.7 倍；RV为支座反力，N；As为支承加劲肋净截面积，mm2；tD为支点横隔板厚度，mm；Beb为横隔板有效宽度（考虑支垫板的45°扩散作用），mm；B为支座垫板宽度，mm；tf为下翼板厚度，mm；Bev为腹板竖直方向应力有效计算宽度，mm；bs为支撑加劲肋间距，mm。

对56#框架墩进行支点横隔板局部承压应力和压杆稳定应力验算，结果见表6、表7。

表6 墩顶横隔板局部承压应力验算结果（运梁车通行施工阶段）

表7 墩顶横隔板压杆稳定应力验算结果（运梁车通行施工阶段）

（3）简支梁支座处横隔板。简支梁架设过程中，在梁支座位置处会产生较大反力，计算简支梁支座处横隔板应力分2组情况：施工阶段（架桥机架设阶段支座反力最大）和运营阶段（主力工况和主力+附加力工况）。

①施工阶段。架桥机架设阶段，简支梁支座承受了最大支反力，反力包括架桥机荷载单支座反力4 652.6 kN 和一孔梁单支座反力1 580.5 kN，总支反力为6 233.1 kN。简支梁支座处横隔板局部承压应力和压杆稳定应力验算结果见表8、表9。

②运营阶段。在主力工况和主力+附加力工况（根据规范《铁路桥梁钢结构设计规范》，主力+附加力工况考虑容许应力提高系数1.2）下，对56#框架墩简支梁支座处横隔板进行局部承压应力和压杆稳定应力验算，结果见表10、表11。

表8 简支梁支座横隔板局部承压应力验算结果（架桥机架设施工阶段）

表9 简支梁支座横隔板压杆稳定应力验算结果（架桥机架设施工阶段）

表10 框架墩简支梁支座处横隔板局部承压应力验算结果

表11 框架墩简支梁支座处横隔板压杆稳定应力验算结果

3.4 钢横梁强度验算

利用有限元软件进行受力分析，基础刚度对横梁受力影响较大，考虑基坑回填及地质参数与实际竣工工况存在一定差异，框架墩设计按0.5 倍和2.0 倍基础刚度包络计算，横梁应力分析结果见表12、表13。由计算结果可知，框架墩钢横梁应力满足规范要求。

表12 运、架梁阶段横梁应力分析结果 MPa

表13 运营阶段横梁应力分析结果 MPa

3.5 框架墩墩身刚度及位移

对框架墩墩身刚度及位移进行分析［8］。框架墩墩身静活载作用下梁体竖向挠度、梁端水平折角、梁端竖向转角、轨道不平顺值、墩顶纵向位移、墩顶纵向刚度、横梁预拱度数值见表14—表20。

表14 静活载作用下梁体竖向挠度

表15 梁端水平折角

表16 梁端竖向转角 rad

3.6 墩身截面验算

根据受力分析结果，框架墩墩柱纵向主筋采用φ32 mm 钢筋，主力、主力+附加力及地震工况作用下墩柱截面强度验算结果见表21，满足规范要求。

表17 轨道不平顺值 mm

表18 墩顶纵向位移 mm

表19 墩顶纵向刚度 kN/cm

表20 横梁预拱度 mm

3.7 墩梁临时连接方式设计

施工阶段框架墩上简支梁架设前后横梁与立柱连接形式不同也会导致立柱横向受力状态不同。如果框架墩体系一次成型，钢横梁安装完毕后与立柱直接固结，框架墩上简支梁架设完毕后会对立柱产生横向内力，运架梁阶段运架设备也会对立柱造成横向内力，采用临时铰接方案可释放掉以上作用的横向内力。为了减小运架梁工况对墩柱的不利影响，商丘特大桥设计在墩柱顶部设置临时支座，待运架梁施工完成后再对墩顶与横梁浇筑混凝土固结。

表21 框架墩墩身截面验算结果汇总

临时支座由支座弧板N1、横梁底垫板N2和支座下底板N3 组成（横桥向，见图7）。N1 为底面为R=450 mm 的半球面，N1 横桥向宽280 mm、顺桥向长280 mm， N3 横桥向宽480 mm、顺桥向长340 mm，N3与N1接触面为R=450 mm的弧面。

4 动力响应分析

根据车-线-桥耦合振动分析理论，运用结构动力分析程序BDAP，针对商合杭高铁商丘特大桥框架墩简支梁桥采用空间有限元建立全桥动力分析模型，对桥梁在CRH2、CRH3 型动车组作用下的车桥空间耦合振动进行分析，评价上述桥梁方案的动力性能及列车运行的安全性与平稳性。研究表明：

（1）商丘特大桥框架墩简支梁桥基频：简支梁1阶频率3.619 Hz。

（2） CRH2、CRH3 型动车组以速度180～420 km/h通过该简支梁桥时，桥梁竖向和横向振动加速度均小于规范规定的限值，说明桥梁的振动性能良好；动车与拖车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值内，保证了高速列车的行车安全。

图7 临时支座构造

（3） CRH3 型动车组以速度 180～420 km/h 通过商丘特大桥（56#框架墩）时，竖向和横向舒适性达到“优”或“良”；CRH2 型动车组以速度180～420 km/h 通过商丘特大桥（56#框架墩）时，竖向舒适性均达到“优”，横向舒适性达到“优”或“良”。

5 结束语

随着高速铁路建设的提速，越来越多的高铁将会采用框架墩结构形式以解决跨越既有运营线路的难题，通过分析得出高速铁路跨越既有线路采用大跨度框架墩时宜采用钢结构的结论，并通过对钢结构横梁设计要点的介绍及动力响应分析，可为后续项目设计提供参考借鉴。