客货共线大跨度预应力混凝土框架墩设计分析

2016-04-13梁磊

铁道勘察 2016年1期

关键词：活载横梁立柱

梁　磊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

客货共线大跨度预应力混凝土框架墩设计分析

梁磊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Analysis of Passenger and Freight Railway Long-span Pre-stressed Concrete Portal Pier Design

LIANG Lei

摘要以东北某跨管线框架墩为例，对预应力混凝土框架墩整体设计进行介绍，对不同基础刚度条件下荷载引起的内力进行对比分析，并对预应力混凝土框架墩设计要点进行总结。

关键词铁路桥梁框架墩预应力混凝土基础刚度

1概述

框架墩在布置上非常灵活，在经济上和工期上有一定优势，当线路需要跨越铁路干线、高等级道路或管线等情况下，不可避免地需要采用框架墩。根据材料不同可将框架墩分为两种：预应力混凝土横梁框架墩和钢横梁框架墩。考虑到经济因素、后期维护及景观效果，在满足施工条件情况下，应优先选用预应力混凝土横梁框架墩。

从结构类型上，根据横梁和立柱连接方式不同可将预应力混凝土框架墩分为横梁与立柱铰接，横梁与立柱固接，横梁与立柱先铰接后刚接三种。

1.1预应力混凝土横梁与立柱铰接

横梁下方设置支座，此种连接方式，受力模式较为明确，横梁通过支座仅向立柱传递竖向力和少部分水平力，立柱为承受以竖向荷载为主的压弯构件。采用简支结构假设简单，不存在体系转换，但此种连接方式下，上部结构主梁与框架墩横梁铰接，后横梁与框架墩立柱铰接，结构整体性较差，后期支座检查工作复杂。且框架墩立柱不参与弯矩分配，横梁跨中位移、弯矩较大，混凝土立柱对整体竖向刚度没有贡献，造成所需框架墩横梁刚度较大，横梁高度大，故此种连接方式框架墩虽设计简单，但较少采用。

1.2预应力混凝土横梁与立柱固接

横梁在梁端部与混凝土立柱固结形成整体，减小了预应力混凝土横梁的跨中位移和弯矩，混凝土立柱对整体竖向刚度有贡献，有利于横梁结构高度的降低。立柱参与整体共同受力，需配置较强的普通钢筋。和第一种连接方式相比，横梁结构高度减小，经济性优于铰接方式。

1.3预应力混凝土横梁与立柱先铰接后刚接(横梁预制)

立柱施工至某一高度，在立柱顶端设置临时支座，并留有后浇段，横梁吊装就位。完成上部结构施工后设置竖向预应力筋与立柱固结，并浇筑后浇段，实现墩梁固结。与一次固结方式相比，此种方法存在体系转换，虽然能降低立柱顶的弯矩，减小立柱截面和配筋量，但施工工序较为复杂，且竖向预应力筋施工质量难以保证。

设计中需根据荷载、施工条件等综合考量。本项目选定横梁与立柱连接方式。

2应用实例

2.1桥墩概况

该框架墩为吉珲线吉林枢纽西环线九站特大桥跨越中石油的天然气管道及成品油管道设置。线路设计速度：客车120 km/h，货车80 km/h。框架墩处线路情况为有砟轨道，单线、直线无声屏障地段。桥址处地震基本烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

2.2结构描述

框架墩横向计算跨度为23 m，横梁总长为26.1 m。横梁截面顶面宽4 m，底面宽3.4 m，高2.8 m。立柱截面为2.8 m×2.5 m，设置0.25 m圆角，墩高为15.5 m，横梁及立柱截面如图1所示。横梁上部架设32 m单线简支T梁，框架墩横梁顶平面布置如图2所示，上部结构作用在横梁跨中附近，两片T梁间的横向支座中心距为2.2 m。为满足架桥机架桥需要，框架墩横梁左右两侧各增加0.7 m(宽)×2 m(长)×2 m(高)。横梁为预应力混凝土结构，预应力筋一次张拉，立柱为钢筋混凝土结构，采用横梁、立柱固结形式。

图1　横梁与立柱断面(单位：mm)

图2　框架墩墩顶平面布置(单位：mm)

2.3结构计算

采用MIDAS Civil2015建立空间梁单元有限元模型，采用B89程序计算出下部结构刚度后，以节点弹性支承形式加载模型边界条件，各荷载工况按照实际位置施加。横梁和立柱共离散为52个梁单元，图3为所建立的模型。

图3　框架墩计算模型

根据实际受力情况计算，采用的荷载组合如下。

组合1:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降;

组合2:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+纵向风荷载+制动力+升温+日照温差;

组合3:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+纵向风荷载+制动力+降温+日照温差;

组合4:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+纵向风荷载+制动力+升温;

组合5:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+纵向风荷载+制动力+降温;

组合6:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+横向风荷载+升温+日照温差;

组合7:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+横向风荷载+降温+日照温差;

组合8:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+横向风荷载+升温;

组合9:恒载+单线活载+横向摇摆力+不均匀沉降+横向风荷载+降温;

组合10:恒载+两股钢轨伸缩力;

组合11:恒载+一股钢轨伸缩力+另一股钢轨断轨力。

(1)不同基础刚度条件下结构弯矩分析

为保证结构安全、耐用，设计横梁时，基础刚度采用程序计算出的刚度，设计立柱配筋、桩长和桩基配筋时采用基础刚度的3倍。表1、表2为基础刚度分别为1倍与3倍时各主要荷载引起的结构弯矩。

对比表1、表2可知，采用3倍基础刚度时，由结构自重、T梁自重、二期荷载、列车活载、横向风力引起的横梁跨中弯矩与1倍基础刚度下的跨中弯矩相比均减小。

表1　1倍基础刚度下各荷载作用引起的结构弯矩　kN·m

表2　3倍基础刚度下各荷载作用引起的结构弯矩　kN·m

对于钢筋混凝土立柱，与1倍基础刚度下的弯矩相比，3倍基础刚度下各荷载作用引起的柱顶、柱底处弯矩均增大。由结构自重、T梁自重、二期荷载、列车活载、顶底板温度T度引起的柱底处弯矩为1倍基础刚度下墩底弯矩的4倍左右。由整体升降温引起的柱底弯矩为1.74倍，由立柱基础不均匀沉降引起的墩底弯矩为1.14倍。可见基础刚度对框架墩横梁与立柱固结处及柱底处弯矩影响很大。

采用1倍基础刚度时，立柱基础不均匀沉降和温度力作用引起的柱顶弯矩占柱顶处总弯矩的28%，引起的柱底弯矩占柱底处总弯矩的82%左右。采用3倍基础刚度时，立柱基础不均匀沉降和温度力引起的柱顶弯矩占柱顶处总弯矩的30%，立柱基础不均匀沉降和温度力引起的柱底弯矩占墩底处总弯矩的81%。可见立柱基础不均匀沉降和温度力对框架墩横梁与立柱固结处及墩底处弯矩影响很大。

(2)横梁计算结果及分析

框架墩横梁为全预应力结构，计算采用1倍基础刚度各荷载组合下的横梁截面计算结果。由竖向静活载引起的横梁跨中处挠度为-1.929 mm，考虑活载冲击系数时挠度为-2.315 mm，静活载挠度为横梁跨度的1/9 935，满足规范要求。

运营阶段横梁各工况下截面安全系数如表3所示。

表3　横梁正截面强度检算结果

运营阶段横梁各工况下截面抗裂系数如表4所示。

表4　横梁截面抗裂系数验算结果

经计算，主力作用下横梁各截面均未出现混凝土拉应力，最大混凝土压应力为6.97 MPa。主加附状态下，各截面均未出现混凝土拉应力，最大混凝土压应力为8.37 MPa。

(3)立柱计算结果及分析

采用3倍基础刚度下立柱各截面内力进行配筋计算。本设计框架墩横梁预应力筋一次张拉完成所有钢束，立柱顶端弯矩大，竖向力小，截面配筋控制工况为张拉预应力筋阶段，控制截面为墩顶截面。主筋采用直径25 mm螺纹钢筋，钢筋最大拉应力为151.5 MPa，计算得混凝土裂缝为0.12 mm。

(4)基础计算

根据MIDAS计算所得承台底反力，采用B89程序进行群桩设计。桩基采用6根1 m桩基，桩长为29 m，主加附工况下控制桩长，最大桩头力为3 795 kN。承台尺寸为5.1 m(宽)×7.8 m(长)×2.5 m(高)。承台满足刚性角，配筋满足构造要求即可。

3设计要点

3.1确定合理的结构尺寸

框架墩尺寸往往受到所跨铁路干线或高等级道路限界限制，除此之外还需考虑支座在框架墩横梁的位置、左右立柱的高差、横梁预应力布置及美观等因素。采用横梁与立柱固结方式时，还要重点考虑选取合理的横梁和立柱刚度比，否则就会带来预应力配筋困难，结构内力、变形较大，安全系数过大、过小等问题。如果假定尺寸达不到理想效果，应重新调整截面尺寸和基础参数，直至得到满意的效果为止。

3.2确定计算荷载

框架墩横梁，立柱，桩基的设计荷载包括恒载、列车活载及温度力等。预应力混凝土框架墩为超静定结构，立柱基础不均匀沉降对框架墩横梁与立柱固结处及墩底弯矩值影响很大。为保证结构安全，根据以往经验，采用柱桩基础时，基础不均匀沉降按5 mm计算，采用钻(挖)孔桩基础时，不均匀沉降按10 mm计算。

3.3预应力布置

预应力钢束一般布置为2～3层，转折点布置于支座附近。为保证下层预应力筋张拉时，即使混凝土迸裂，也不会对上层预应力筋产生影响，下层预应力钢束圆弧的起止点设在上层预应力束起止点的靠近横梁两端侧。值得一提的是框架墩横梁重量较小的情形，施工过程中，上部结构架设前，若预应力束采取一次张拉的方式，则立柱顶端弯矩过大，竖向力太小，造成立柱配筋困难。因此多采用分批张拉的方式，在上部结构架设前，张拉一批预应力束，架设完成后，张拉余下的预应力束。考虑运架梁情况(运架梁荷载较大)，为保证运梁车可连续工作，而不是架完一孔梁后等待张拉第二批预应力筋，应尽量在满足立柱配筋要求的情况下，预应力束一次张拉或第一批多张拉一些。预应力筋的布置需经过多次试算，以达到最合理利用。

3.4边界条件的处理

框架墩为超静定结构，对基础约束条件非常敏感。若模型基础刚度大于实际刚度，则横梁分配弯矩小于实际弯矩，横梁设计偏不安全。反之立柱、基础分配弯矩小于实际弯矩，立柱、基础设计偏不安全。因此，应准确模拟基础实际刚度。检算立柱和基础设计时，在此基础上对刚度取值乘以一个系数，以便使立柱和基础设计安全、耐久。同时根据框架墩所在处的地质情况，计算出各地层地基系数m值取最大、最小值时得到的基础刚度，与模型计算取值进行对比后取最合理值。

3.5立柱配筋

6度以上的地震区，立柱配筋计算需考虑地震作用。多遇地震作用下，桥墩抗震计算可采用反应谱法。罕遇地震作用下可按《铁路工程抗震设计规范》附录中简化方法进行计算，延性验算应满足下式要求[5]

式中μu——非线性位移延性比；

[μu]——允许位移延性比，取值为4.8；

Δmax——桥墩的非线性响应最大位移；

Δy——桥墩的屈服位移。

桥墩塑性铰区域应加强箍筋配置，加强区高度不应小于弯曲方向截面高度的2倍，当塑性铰区域位于桥墩底部时，加强区高度为截面高度，当墩高与截面高度的比值小于2.5时，应对所有截面进行加强[5]。

4结束语

综上所述，在框架墩设计工作中，应根据工程需要选用合理的框架墩形式，确定合理的跨径。根据工程经验，初拟横梁、立柱截面尺寸和基础布置方式，选用1 种以上有限元软件进行分析计算，经过求解后，评判初拟尺寸是否合理，然后对结构尺寸、预应力束的布置、立柱配筋、基础形式等进行精调。

参考文献

[1]TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S]

[2]TB10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]