安九铁路跨既有合九线钢横梁门式墩设计

沈耀海 SHEN Yao-hai

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

随着我国经济的飞速发展，铁路建设如火如荼，城市建设也日新月异。不可避免的，新建铁路与既有铁路、公路、航道、油气管道等的交叉也越来越普遍。尤其是新建铁路在引入既有铁路车站时，受现场条件限制，新建线往往以很小角度上跨既有线。两线夹角、既有线宽度、立交净空等条件，是控制设计方案的关键因素。

新建线小角度斜交上跨既有线常用“小跨度结构+门式墩”及大跨桥梁跨越两种方案。其中“小跨度结构+门式墩”方案具有结构简单、施工方便、节约投资、上部可采用标准简支梁等优点，应用较为广泛[1][2][3]。本文结合新建安九铁路孔垄上行联络线特大桥跨既有合九铁路工程实例，研究新建铁路小角度上跨既有线的钢横梁门式墩设计及实施方案。

1 工程概况

安九铁路孔垄上行联络线上跨既有合九铁路处孔垄上行联络线特大桥位于湖北省黄梅县孔垄镇，桥址位于长江沿岸冲积平原区，地形平缓，地面高程为5～18m。桥址范围地层为人工填土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、细圆砾土及砂岩等。基本地震动峰值加速度0.05g，基本地震动反应谱特征周期为0.35s。

安九铁路孔垄上行联络线为单线Ⅰ级电气化铁路，设计速度目标值为160km/h。既有合九铁路为单线Ⅰ级铁路，内燃预留电气化条件。安九铁路孔垄上行联络线与既有合九线交叉里程为KLSDK2+855.3，距既有孔垄站约3km。交叉处既有铁路为路基段，路肩宽度约7.6m，路基填高为3.5～3.8m。

由于既有线与新建线交叉角仅为5°，无法采用大跨桥梁一跨跨越，故孔垄上行联络线特大桥58～65号墩设计采用8榀门式墩跨越既有合九铁路，上部结构采用“通桥（2017）2101”系列32m标准简支梁。为尽量减少施工过程中对既有合九线的干扰，降低既有合九线运营安全风险，门式墩墩柱基础尽量不侵占既有线路基本体，同时考虑经济性因素，门式墩钢横梁跨度设计为24m。平面布置如图1所示。

图1 孔垄上行联络线与既有合九铁路交叉平面图（单位：m）

2 方案研究

铁路工程中常见的门式墩横梁有预应力混凝土横梁、钢横梁两种形式[3]。预应力混凝土横梁存在结构尺寸大、施工周期长等问题，且施工时需要搭设现浇支架，对既有线的运营安全影响较大，不适用于上跨既有线的情况。钢横梁存在结构尺寸小、自重轻、可通过工厂预制现场吊装施工等优点，安全性能较好，对既有铁路的运营影响很小，非常适用于上跨既有线的情况，因此在新建铁路上跨既有线的桥梁设计中应用较为广泛[4][5]，本桥即采用钢横梁方案上跨既有铁路。

门式墩墩柱采用钢筋混凝土结构。钢横梁与墩柱有铰接和固结两种连接方式。铰接连接需在墩柱顶、钢横梁下设置支座，此时钢横梁作为简支结构受力简单，但横梁弯矩较大且墩柱无法分担，从而导致横梁截面较大，且铰接连接的整体稳定性较差。固结连接与铰接相比，虽然墩顶分担了横梁弯矩后弯矩变大，但横梁弯矩减小，进而可减小钢横梁的截面尺寸、缩减结构高度。本桥钢横梁与墩柱固结连接，采用“恒载铰接、活载刚接”的模式。第一阶段墩柱施工完毕后，将钢横梁吊装后置于柱顶，只穿入节点连接钢筋并临时固定，暂不浇注节点混凝土，此时横梁与墩柱按铰接计算；第二阶段完成T梁架设及桥面系施工后，二期恒载加载完毕，自钢横梁顶板预留施工孔处浇注C50补偿收缩混凝土，使钢横梁与墩柱实现固结连接。

3 结构设计及计算

3.1 钢横梁门式墩设计

3.1.1 结构构造及材料

门式墩钢横梁采用单箱单室的钢箱结构，全长26.5m，立柱中心距为24m。梁宽2.8m，高2.1m（58、65号墩横梁高1.8m）。58、59、65号墩钢横梁上、下翼缘板厚20mm，64号墩钢横梁上、下翼缘板厚24mm，60号墩钢横梁上、下翼缘板厚28mm，64号墩钢横梁上、下翼缘板厚32m，61、62号墩钢横梁上、下翼缘板厚36m，腹板厚28mm。钢箱梁内侧顶底板分别焊有3道纵向加劲肋、腹板左右侧纵向分别焊有2道纵向加劲肋，每隔2.7m左右设1道横隔板，隔板之间设竖向加劲肋（间距0.9m），水平加劲肋沿全梁通长，遇有竖向加劲肋处将竖向加劲肋断开。门式墩钢横梁主要受力构件采用Q345qD钢材，次要构件及附属结构采用Q235-B.Z钢材。钢横梁外表面采用《铁路钢桥保护涂装及涂料供货技术条件》（Q/CR 730-2019）中第七涂装体系的涂料进行涂装。

本文以65号墩为例进行设计计算，65号墩钢横梁典型断面布置如图2所示。

图2 65号墩钢横梁标准断面图（单位：cm）

墩柱采用钢筋混凝土矩形截面，墩身截面尺寸为2.8m×2.5m（纵向×横向），墩高8.0～10.5m。根据受力要求，墩柱纵向配双排直径28mm、间距10cm的HRB400钢筋。柱顶处外包30mm厚钢板与钢横梁焊接连接，高度为1m，钢板内通过埋设剪力钉与墩柱钢筋混凝土连接，形成整体受力。墩柱后浇部分采用C50补偿收缩混凝土，其余部分采用C40混凝土。

门式墩基础采用钻孔灌注桩基础，其中第1类承台尺寸为4.85m×4.85m×2.0m（纵×横×厚），基础采用4φ1.0m钻孔灌注桩，第2类承台平面尺寸为6.9m×4.85m×2.5m（纵×横×厚），基础采用5φ1.0m钻孔灌注桩，承台桩基沿路基方向扭转5°。由于桥址区地下水具侵蚀性，承台及桩基均采用C40混凝土。

65号钢横梁门式墩立面图如图3所示。

图3 65号墩立面布置图（单位：cm）

3.1.2 设计荷载及荷载组合

3.1.2.1 恒载

①自重按《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）（以下简称“桥规”）规定办理；

②二期恒载按“通桥（2017）2101”梁图规定办理；

③混凝土收缩徐变：按《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092-2017）规定计算；

④基础不均匀沉降：两侧墩柱基础不均匀沉降≤0.5cm。

3.1.2.2 活载

①列车竖向静活载采用ZK活载；

②列车活载动力系数按照“桥规”第4.3.8条规定办理；

③横向摇摆力取100kN，作为一个集中荷载作用在最不利位置，以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面。

3.1.2.3 附加力

①风力按“桥规”第4.4.1条规定办理；

②门式墩体系的结构温度变化影响力按照整体升温30℃、降温30℃考虑；

③列车制动力或牵引力根据“桥规”第4.3.10条按照列车竖向静活载的10%计算。

3.1.2.4 特殊荷载

①地震力按照《铁路工程抗震设计规范》（2009年版）（GB 50111-2006）计算；

②长钢轨纵向力，包括伸缩力、挠曲力和断轨力，均按照“桥规”第4.3.12条及《铁路无缝线路设计规范》（TB 10015-2012）相关规定办理。

3.1.2.5 荷载组合

对以上荷载进行组合，详见表1所示。

表1 荷载组合表

3.2 结构计算

3.2.1 钢横梁门式墩计算

计算时桩基础刚度采用比拟杆件法模拟，并采用Midas Civil有限元软件进行建模，所建65号墩杆单元模型如图4所示，分别检算钢横梁的强度、稳定性、疲劳等内容。

图4 65号门式墩钢横梁建模示意图

3.2.1.1 强度计算

依据《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091-2017）（以下简称“钢桥规”），对65号墩钢横梁结构进行检算，主力组合的结构正应力均小于Q345qD钢材的轴向容许应力200MPa，“主+附”组合的结构正应力均小于260MPa；两种荷载组合下的剪应力均小于Q345qD钢材的剪应力容许值120MPa。故钢横梁强度满足规范要求。

3.2.1.2 局部承压计算

65号墩支座处横隔板局部承压应力σ=80.65MPa＜200MPa，竖向应力σ=142.05MPa＜200MPa，均满足规范要求。墩柱处局部承压应力σ=83.13MPa＜200MPa，竖向应力σ=171.40MPa＜200MPa，均满足规范要求。

3.2.1.3 疲劳计算

依据“钢桥规”第4.3条，对门式墩钢横梁进行疲劳检算。疲劳组合包括设计荷载中的恒载加活载（包括冲击力、离心力，但不考虑活载发展系数）。根据“疲劳应力为拉-拉构件或以拉为主的拉-压构件”计算公式，65号墩钢横梁疲劳应力为γdγn=（σmax-σmin）=41.6MPa≤γt[σ0]=121.7MPa，满足要求。

3.2.1.4 预拱度计算

为了保证线路的平顺，通过设置预拱度来抵消钢横梁挠度的影响。钢横梁预拱度为“恒载+1/2静活载”产生的挠度累积之和，最大值为1.3cm，方向向上。

3.2.2 墩柱及基础计算

3.2.2.1 墩柱配筋计算

根据Midas Civil有限元模型荷载组合结果进行计算，65号墩地震力不控制墩柱配筋，墩柱纵向由主力控制配筋且墩顶处外侧受拉。根据计算结果，墩柱横向可按构造配单排直径28mm、间距10cm的HRB400钢筋，墩柱纵向配双排直径28mm、间距10cm的HRB400钢筋。

3.2.2.2 刚度计算

65号钢横梁门式墩墩顶纵向水平刚度为614.6 kN/cm，大于单线客货共线、高速铁路墩台顶纵向水平线刚度限值220kN/cm，满足规范要求。

3.2.2.3 桩长计算

经计算，本桥墩第1类承台处桩基长度51m，第2类承台处桩基长度44m。

3.2.2.4 墩柱及基础其他参数计算

分别计算65号墩墩柱及基础的混凝土、钢筋容许应力，裂缝容许值，基础沉降值等，均满足设计规范要求。

4 实施方案

上跨既有线的门式墩钢横梁一般采用工厂预制后运至现场吊装的方法施工。在门式墩基础及墩柱施工完毕并在柱顶预埋钢板后，在施工天窗点内采用履带吊将钢梁一次吊装到位。通过将钢横梁底部钢板与墩柱顶预埋钢板对齐并焊接后，再向墩梁相接处浇筑C50补偿收缩混凝土。

门式墩钢横梁最大吊重120t，现场施工时结合吊车的额定起吊能力、吊车臂长、作业半径等选用了600t履带吊进行吊装施工。为避免对既有线及相邻已实施的孔垄下行联络线路基段产生影响，设计根据现场地质情况对吊装平台采用水泥搅拌桩进行了加固处理。

5 结束语

2021年12月30日，安九高铁全线正式通车运营，同时也见证了我国高铁运营里程突破4万公里。孔垄上行联络线特大桥在施工期间未发生任何质量安全事故，上跨既有合九铁路采用门式墩钢横梁方案取得了圆满成功。

在本成功的案例中，既有线与新建线交叉角仅为5°，采用常规大跨桥梁结构无法一跨跨越，而采用门式墩方案是最合理可行的方案。其中钢横梁门式墩方案结构简单、节约投资，最重要的是施工周期短、对既有线影响最小，因而成为本桥小角度斜交上跨既有合九线的最佳跨越方案，也对今后类似工程有很好的参考借鉴意义。