新建和若铁路装配式桥墩应用研究

李 帅

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

引言

预制装配技术具有节约模板、占用场地少、施工速度快、施工安全、干扰小、现场浇筑混凝土工作量少、构件质量易于保证、建造过程绿色环保、高效低碳、桥梁全寿命周期成本低等优点[1-7]。装配式桥墩在我国发展起步较晚，但近些年来，在跨海大桥[8-10]、市政道路[11]、轨道交通[12]等项目中均有应用。

目前，我国铁路桥梁上部结构已较多使用预制架设技术，大大提高了施工效率和工程质量，但下部结构建造仍以人工绑扎钢筋、现场浇筑混凝土为主[13-14]，制约着铁路桥梁工业化、智能化建造水平的提升，开展铁路预制拼装桥墩技术研究势在必行[15]。

1 工程背景

1.1 工程概况

新建和田至若羌铁路线路全长825.5 km，桥梁全长84 km，占线路总长的10.2%。其中，预应力混凝土简支T梁占比95%以上。

全线桥梁墩高较低，墩高≤12 m的桥墩约占70%，墩高≤10 m以下桥墩共1 187个，墩高10～12 m桥墩共247个，墩高12～15 m桥墩共666个。

1.2 线路标准

铁路等级：Ⅰ级。

正线数目：单线。

活载：ZKH活载。

设计速度：160 km/h。

最小曲线半径：1 600 m。

地震烈度：地震动峰值加速度值为0.05g～0.15g，反应谱特征周期为0.40～0.45 s。

1.3 线路特点

本线位于塔克拉玛干沙漠边缘，降雨量小，蒸发量大，属于极度干旱地区。恶劣的天气和特殊的环境给桥梁现场施工带来困难，养护条件差，工程质量不易保证。

预制装配式桥墩可较好地克服沙漠地区混凝土浇筑养护条件难的问题，因此，拟在和若铁路开展装配式桥墩应用研究。

2 结构形式方案比选

2.1 结构体系

以15 m墩高为例，对比分析单柱式、双柱式桥墩两种结构体系。

综合考虑桩基承载能力、地震力、刚度、承台质量、桩基长度等因素，经试算对比，两种方案均采用8根φ0.8 m的桩基布置形式，结构尺寸如图1所示。

图1 桥墩结构尺寸(单位：cm)

两种方案混凝土量、墩身节段数量、吊装质量如表1所示。

表1 单柱墩和双柱墩方案对比

由表1可以看出，两种方案各部位混凝土用量接近，但由于墩身分段、连接方式的不同，造成施工难易程度不同。双柱墩方案墩身整体吊装，避免了墩身节段之间的连接，该方案能更好地满足轻型化、易装配设计理念。因此，推荐采用双柱式桥墩方案。

2.2 墩身截面形式

空心墩、实体墩是常用的桥梁墩型，其优缺点对比如表2所示。

表2 空心墩、实体墩优缺点对比

结合两者的优缺点，考虑节省吊装设备，工厂预制可采用离心工艺来提高空心墩墩身混凝土质量，故推荐采用空心墩方案。

常用的墩身截面有圆形和方形截面[16]，在直径与边长相等的情况下，圆形截面圬工量小，且方形截面需倒角，增加了工厂制造难度，故推荐采用圆形截面。

综上，本线装配式桥墩推荐采用圆形双柱式空心桥墩方案。

3 空心墩实体段

3.1 墩底实体段

建立Midas实体单元模型，对比分析3种墩底实体段情况：不设置实体段、实体段高1.0 m和1.5 m，在主力和主力+附加力作用下的应力如表3所示。

表3 不同实体段高度桥墩应力

由表3可以看出：在主力作用下，墩身受力基本相同；在主力+附加力组合作用下，随着实体段高度的增加，墩底竖向拉应力逐渐增大。

主力+附加力作用下墩底应力云图如图2所示。

图2 主力+附加力作用下墩底应力云图

此外，墩底设实体段，主力作用下使桥墩应力幅度减小，应力均匀性有所提高。

3.2 墩顶实体段

采用Midas实体单元模型对比3种墩顶实体段情况：不设实体段、实体段高0.5 m和1 m。主力+附加力作用下墩顶应力云图如图3所示。

图3 主力+附加力作用下墩顶应力云图

由图3可以看出，随着墩顶实体段高度的增加，墩顶应力逐渐减小，应力趋于均匀。但增加实体段，会使盖梁跨中拉应力增大，实体段高度对盖梁应力影响较小。盖梁应力如表4和图4所示。

表4 不同实体段高度盖梁应力

综上所述，装配式桥墩墩底设置实体段，墩顶不设实体段。

4 构件连接方式

节段拼装桥墩因构造方式不同，其力学特征和常规现浇桥墩存在差异。按照接缝构造特点分类，常用的拼装接头形式有湿接缝连接、灌浆套筒连接、后张预应力连接[17]，其优缺点如表5所示[18-19]。

表5 常用接缝形式比较分析

经综合对比各种连接方式的优缺点，采用后张预应力浅槽连接[20]：盖梁、墩身及承台通过预应力钢束连接，锚固端预埋在承台内，桥墩安装定位后，于盖梁顶张拉预应力钢束；承台在施工过程中，与墩身处预留深15 cm的浅槽，钢束张拉完毕后，浅槽内灌注微膨胀混凝土。

钢束平面、立面布置如图5、图6所示。

图5 预应力钢束平面布置

图6 预应力钢束立面布置

5 静力分析

5.1 刚度

为了满足列车行车安全性和乘车舒适度的需要，铁路工程对桥墩刚度有较高要求。本项目装配式桥墩线刚度如表6所示。

表6 装配式桥墩线刚度

由表6可知：预制装配式桥墩由于结构尺寸减小，与现行桥墩部颁参考图相比，刚度略小，但也足以满足规范要求。

5.2 变形

采用Midas有限元软件，针对本项目装配式桥墩，建立线单元模型计算常规荷载作用下水平位移，建立实体单元模型计算温度力作用下水平位移。

纵向位移考虑2种荷载工况，不同墩高墩顶纵向位移如表7所示。

表7 墩顶纵向位移

横向位移考虑以下两种工况。

组合工况一：恒载+竖向静活载+离心力+横向摇摆力+风荷载；

组合工况二：恒载+竖向静活载+离心力+横向摇摆力+0.4风荷载+0.5温差。

不同墩高墩顶横向位移如表8所示。

表8 墩顶横向位移

由表7和表8可以看出，桥墩纵、横向变形满足规范要求。

5.3 温度应力

在寒潮温差、升温加太阳辐射温差作用下，桥墩墩身应力云图如图7、图8所示。

图7 升温温差+太阳辐射作用下应力云图(单位：MPa)

图8 寒潮温差作用下应力云图(单位：MPa)

由图7、图8可知，升温加太阳辐射温差作用下，外侧混凝土膨胀受到内侧混凝土的制约而受压，内侧混凝土受拉。寒潮温差作用下则相反，外侧混凝土受拉，内侧混凝土受压。

不同墩高对应的桥墩应力如表9所示。

表9 桥墩温度应力

5.4 预加力

与部颁参考图《通桥(2017)4103》相比，预制装配桥墩尺寸及刚度减小，为保证其运营中的刚度，应避免桥墩截面受拉而导致混凝土退化，致使刚度进一步减小，需使桥墩受力为小偏心受压，保证全截面受压。

在运营荷载作用下，桥墩属于大偏心受拉，因此需张拉预应力筋施加预应力，使桥墩满足小偏心受压的要求。桥墩所需预加力是常规力和温度力之和，桥墩预应力钢束配置如表10所示。

表10 桥墩预应力配置

5.5 墩身应力

主力+预加力、主力+预加力+附加力作用下，桥墩混凝土应力如表11、表12所示。

表11 主力+预加力作用下桥墩应力

表12 主力+预加力+附加力作用下桥墩应力

由表11、表12可知，在主力+预加力、主力+预加力+附加力作用下，桥墩混凝土应力均满足TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》要求(桥墩采用C50混凝土)。

5.6 稳定性

建立Midas屈曲计算模型，在主力+横向附加力作用下，桥墩一阶屈曲形态为纵向弯曲，屈曲安全系数为39.6，二阶屈曲模态为横向偏移，屈曲安全系数为71，屈曲模态如图9所示。

图9 屈曲模态

5.7 抗震分析

多遇地震作用下，桥墩墩柱地震力及检算如表13所示。

表13 地震作用下内力检算

由表13可知，多遇地震作用下，桥墩处于弹性小偏心受压状态，全截面受压。

6 动力性能分析

6.1 车-桥耦合振动分析

通过基于多体系统动力学和有限元结合的联合仿真技术对预制装配式桥墩简支梁桥进行了车-桥耦合振动分析，得出如下结论。

(1)当CRH2列车以120～160 km/h(设计速度)、180～200 km/h(检算速度)通过桥梁时，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车竖、横向振动加速度均满足限值要求，列车的乘坐舒适性能达到规定的“良好”标准以上。

(2)当C70货车以80～100 km/h(设计速度)、110～120 km/h(检算速度)通过桥梁时，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车横、竖向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性能满足要求，列车的运行平稳性达到“合格”标准以上。

6.2 风-车-桥耦合振动分析

通过对预制装配式桥墩简支梁桥进行风-车-桥耦合振动分析，得出以下结论。

(1)当桥面平均风速不超过25 m/s时，CRH2列车以120～160 km/h(设计速度)、180～200 km/h(检算速度)通过桥梁时，桥梁及列车的动力响应各项指标均满足要求，可正常行车。

(2)当桥面平均风速达30 m/s时，CRH2列车以120～160 km/h通过桥梁时，桥梁及列车的动力响应各项指标均满足要求；以180～200 km/h通过桥梁时，桥梁的动力响应均满足各项指标，列车的轮重减载率不满足要求，若将160 km/h作为检算车速，按照1.2倍外延系数反算，则安全运营速度约为130 km/h。

(3)当桥面平均风速不超过25 m/s时，C70货车以80～120 km/h通过桥梁时，桥梁及列车的动力响应各项指标均满足要求，可正常行车；当桥面平均风速达30 m/s时，C70货车以120 km/h通过桥梁时，列车的运行平稳性未能够达到规定的“合格”标准以上，但考虑到此时的强风作用属于小概率事件，列车的走行性以安全性指标为主，列车的乘坐舒适度或运行平稳性可不作为强制指标，故也可以正常行车。

综上，列车在强风作用时通过该桥的安全运营车速达到日本及我国相关规范对列车遇大风行车限速的相关规定，表明其具有足够的刚度。

7 结语

预制拼装技术是未来铁路桥梁建造技术发展的新方向。装配式桥墩在和若铁路极端复杂的建设条件下，能够较好地保证施工速度和施工质量，符合低碳环保的建设要求，具有独特的优越性。

和若铁路装配式桥墩已于2019年开始施工，预计于2022年6月建成投入使用。随着装配式桥墩应用于和若铁路等铁路工程项目，相关技术将不断发展完善，我国铁路桥梁的工业化水平也将迈上一个新台阶。