铁路钢横梁框架墩设计影响因素分析

王 君

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

0 引言

近年来，我国高速铁路、公路等基础设施建设如日中天，线路规划网越来越密集。由于既有道路、管线错综复杂，在新建铁路桥梁建设中，相交线在平面上发生冲突的问题越来越多。这种情况下无法采用普通独柱墩，为了不影响下方线路的运营，常在设计中利用框架墩结构来解决新建线小角度跨越铁路干线、高等级道路或复杂管线等的问题。本文将着重对钢横梁框架墩结构和基础设计影响较大的一些因素进行分析研究。

1 框架墩方案

框架墩结构具有布置灵活、跨越能力强、施工方便等优点[1]。在选定框架墩方案时，首先应考虑该设计轨面高度下，框架墩的桥下净空和跨度是否能满足所跨铁路干线或高等级道路的建筑限界要求[2,3]。根据材料类型，常见框架墩可分为预应力混凝土横梁框架墩和钢横梁框架墩[4]。跨越公路时建筑限界示意图见图1。

根据所跨越的建筑限界要求初步确定框架墩的墩高和横梁跨度后，进行框架墩设计。由于框架墩为超静定结构，设计时需考虑基础不均匀变位、温度变化、混凝土收缩、徐变等的影响[5]。

2 框架墩设计分析

现以某高速铁路中一钢横梁框架墩为例，对设计中影响结构和基础设计的几点因素作分析说明。框架墩横跨22 m，上部梁跨为双线有砟(32+32)m简支梁，受线路纵断面控制，总墩高10 m。跨越铁路时建筑限界示意图见图2。

2.1 模型

采用Midas Civil有限元软件建立钢横梁框架墩模型，如图3所示。

2.2 基础刚度影响研究

框架墩结构对基础约束条件十分敏感，左、右柱基础有时按同样的地质资料设计，基础刚度难以准确模拟。模拟约束较实际强时，横梁设计不安全，同时立柱和基础设计较困难；模拟约束较实际弱时，情况正相反，横梁设计困难而立柱和基础的设计不安全[2]。

图4，图5为主+附工况下，左右墩柱柱顶和柱底在不同基础刚度作用下的截面内力变化趋势图。可以看出，随着基础刚度的增大，墩柱截面的轴力值逐渐变小，但数值较稳定，减小速率不明显，而截面弯矩值陡然增大，2倍基础刚度下的墩底轴力值约为0.5倍基础刚度的0.97倍，而弯矩值达1.75倍。

由此可见，基础约束模拟的强弱对结构自身和基础设计有着直接的影响。通常为结构安全性以及耐久性考虑，框架墩结构设计时，对基础刚度进行多次反复迭代试算，对基础桩长稳定之后的基顶约束刚度值乘以系数进行包络设计，小刚度控制横梁变形及刚度等，大刚度控制墩柱和基础的配筋[6]。

2.3 墩高影响研究

当以较经济的线路纵断面高度跨越既有线路时，受建筑限界控制，框架墩墩高往往很矮，墩高越小结构整体刚度越大，对温度作用和沉降等则更敏感[7]。

为明确墩高对设计的影响，仍以该墩为例，在1倍基础刚度约束作用及其他边界条件均不变的情况，仅改变其墩高，观察温度变化、基础沉降和主+附工况引起的左、右墩柱顶和基顶截面内力(见图6～图8)。

不难看出，随着墩高的变化，基础变位、温度变化效应引起的弯矩值变化十分明显。墩高越小，基顶弯矩值越大。在主+附工况下，由于各种荷载作用的不利效应叠加，墩高10 m的框架墩轴力为墩高20 m的0.88倍，但弯矩值为1.94倍，最大弯矩差值达7 580 kN·m(如图9～图11所示)。

可以发现，一定范围内，框架墩墩高越矮，其刚度越大，温度效应、沉降等结构产生的影响更加显著，横梁与墩柱的刚度比太小，容易出现立柱和基础设计困难的情况，建议选定框架墩方案时墩全高控制在合理高度范围。

2.4 施工工艺影响研究

除以上外，施工方法对结构内力产生的影响也不容忽视[8]。现场施工中，既可以在吊装完成钢横梁后直接灌注节点混凝土，也可以先将钢横梁吊装至柱顶，待上部梁跨架设完成后灌注节点混凝土，完成横梁和墩柱固结[9]。

图12～图15对比了以上两种施工方法施工完成后，框架墩墩柱截面的恒载工况下内力。

可以看出，两种施工方法完成的框架墩结构，在运营工况下墩柱截面轴力基本一致，但弯矩值差别很大。墩柱、横梁固结后再架梁的施工工艺下框架墩墩顶、墩底截面弯矩均更大，这是由于钢横梁跨越能力强，跨度通常较大，架梁过程中横梁与墩柱顶节点处会产生较大恒载弯矩，而在横梁与墩柱铰接的状态下，钢横梁以受压为主，节点处布置有临时支座，可以释放节点处弯矩。

因此，虽然先铰接再固结的方法施工时相对较为繁琐，仍建议一般的钢横梁框架墩优先采用该施工工艺[10]。

3 结论

1)基础刚度的强弱直接影响框架墩结构设计计算，由于基础约束模拟无法达到高准确性，因此通常选择包络设计以保证结构的安全耐久。

2)框架墩墩高越小，整体刚度越大，温度变化作用、基础变位等对其产生的影响也越大，因此建议选定框架墩方案时其墩高不要太小，使墩柱与横梁刚度比控制在合理高度范围，以免墩柱和基础设计困难。

3)一般的钢横梁框架墩建议采用横梁与墩柱先铰接，架梁完成或二期铺装再墩梁固结，这样可以有效释放节点处恒载产生的横向弯矩，对结构受力有利。