邹　蕾

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京　102600)



既有铁路病害路基改桥梁设计

邹蕾

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)

某高填路基出现裂缝、下沉外鼓，存在较大的安全隐患。为保障行车安全，将病害路基改为简支桥梁，且要满足在不中断铁路运营情况下的施工。采用钢筋混凝土框架式桥墩，既有路基两侧设桩基础，用MIDAS空间分析程序与铁路桥梁软件HRBD程序对桥墩与基础进行设计计算。

病害路基改桥梁安全框架墩

1　工程背景

既有铁路一段路基位于水库区，为高填路基形式，路基一侧为裸露的岩石山体，另一侧为临近水库的线路护坡，受水库蓄放水影响，线路路基出现裂缝、下沉外鼓，向水库侧滑移，几何尺寸难以保持，常出现严重晃车。对2007年至2011年观测数据进行分析对比：年下沉量约4～7 mm(其中8～9月份下沉约4 mm)，累计下沉约35 mm。在水库蓄放水及强降雨等不利条件影响下病害会加剧发展，极易引起路基大面积滑移、坍塌，危及行车安全。

2　设计概况

为保障铁路运输安全，根治病害，将本段路基改为桥梁，上部结构采用(1-16+1-24+1-16) m后张法预应力混凝土简支T梁。为满足不间断铁路运营及施工要求，下部基础1、2号桥墩设计为钢筋混凝土框架式桥墩，横梁尺寸为10.6 m×3.2 m×2.0 m，为布置桩基需要，两端2.6 m范围内加宽至5.8 m(称作承台)，每墩设4根直径1.5 m钻孔灌注桩，每端2根，布置在既有路基两侧。两桥台采用T形桥台，下接框架式横梁，设4根直径1.5 m钻孔灌注桩基础。

3　下部基础设计

3.1地质状况

地勘揭露，场地内自上而下为素填土(路基填料)、粗砂、砾岩。地下水位受水库的影响，变化较大。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306—2001)，桥址区地震动峰值加速度0.15g，相当于地震基本烈度7度，地震动反应谱特征周期分区为二区，场地土为中软土和基岩，为Ⅱ类场地。最大冻结深度为0.5 m。

3.2设计荷载及组合

(1)恒载(γ取25 kN/m3)

包括上部的梁重及二期恒载：二期恒载重量包括钢轨、扣件、轨道板、砂浆垫层、混凝土基座等线路设备，以及防水层、保护层、人行道栏杆或声屏障、遮板、防护墙、电缆槽盖板及竖墙等附属设施重量。恒载合计为2 810 kN。[1]

(2)混凝土收缩徐变

此处计算不考虑混凝土收缩徐变的影响。

(3)列车竖向静活载

采用中-活载。

(4)冲击系数计算

式中Lφ——结构的计算跨度/m。

(5)横向摇摆力：列车横向摇摆力为活载主力，取100 kN，作为一个集中活载作用于桥梁结构最不利位置，其作用点在垂直线路中线的钢轨顶面。

(6)制动力或牵引力

按列车竖向静活载的10%计算。

(7)地震力

按《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)2009年版规定计算[5]。

3.3设计荷载组合

主力：自重+梁重+二期恒载+列车活载+横向摇摆力

主+附：自重+梁重+二期恒载+列车活载+横向摇摆力+制动力

3.4材料

(1)混凝土：横梁及桩基均采用C30混凝土。

(2)普通钢筋分别采用HPB300(fsk=300 MPa)和HRB400(fsk=40 MPa)钢筋作为受力钢筋。

3.5结构计算

采用MIDAS空间分析程序计算内力[11]，用铁路桥梁软件HRBD程序[10]进行配筋验算，以2号墩为例进行各项计算。

(1)构造尺寸

2号墩设计为钢筋混凝土框架式桥墩，横梁尺寸为10.6 m×3.2 m×2.0 m，为布置桩基需要，两端各2.6 m范围内加宽至5.8 m，布置2根直径1.5 m钻孔桩。1号墩只是Lp=16 m侧支承垫石高度为54.32 cm，其余尺寸均与2号墩相同(如图1、图2所示)。

图1　2号桥墩立面(单位：cm)

图2　2号桥墩平面(单位：cm)

(2)计算模型

横梁及桩基均采用梁单元，共计94个单元，101个节点。根据地质钻孔资料，靠近山体侧桩长15 m，靠近水边一侧桩长25 m。桩基与承台连接采用刚性连接，桩底固结。桩基与土层之间的作用通过设立横向和纵向土弹簧来模拟[12]，等代土弹簧的刚度ks=abpmZ，其中，a为土层的厚度，bp为土层的宽度，Z为土层的深度。根据地质资料，上层粉质黄土m值取8 000 kPa/m2，土层厚度18 m，下层砾岩m值取80 000。每1 m设置1个土弹簧支撑，土层厚度为1 m，随着土层的深度增加，ks增大，各土弹簧对应的ks值如表1、表2所示。

(3)下部结构整体刚度

给模型分别施加顺桥向及横桥向的集中力，计算单位力作用下产生的位移，从而得出顺桥向的刚度为4 166.7 kN/cm，横桥向刚度6 666.7 kN/cm。

表1　桩土弹簧对应的ks值(15 m桩长)

(4)成桥状态检算

表2　桩土弹簧对应的ks值(25 m桩长)

横梁抗弯检算：给模型施加荷载，分别考虑在单孔重载及双孔重载两种最不利情况下，通过MIDAS得出主力和主力+附加力两种荷载组合情况下的内力，用HRBD程序按矩形实心截面双向偏心受压进行配筋计算(钢筋中心保护层厚7 cm)，结果如图3、表3～表6所示。

图3　HRBD程序横梁配筋检算参数设置

通过配筋检算可知，在双孔重载情况下，主力作用下计算结果最不利，横梁底配直径28 mm的钢筋，间距不大于10 cm布置能满足要求，但富余值较小，所以为安全考虑，采用直径30 mm钢筋，间距10 cm布置；横梁顶及两侧配直径16 mm的钢筋，间距10 cm布置。

表3　单孔重载情况下MIDAS计算横梁内力结果

表4　单孔重载情况下HRBD程序检算应力结果　MPa

表5　双孔重载情况下MIDAS计算横梁内力结果

表6　双孔重载情况下HRBD程序检算应力结果　MPa

横梁抗剪计算：提取MIDAS计算结果中横梁与承台相连位置处的剪力，进行剪应力验算。

表7　横梁剪力检算结果

结论：抗剪最不利截面上中性轴处的剪应力均小于0.73 MPa，说明横梁只需按构造要求配置箍筋即可。

桩基配筋计算：桩基配筋拟定为直径20 mm的钢筋，间距20 cm布置。按圆形截面偏心受压&偏心受拉构件进行计算。计算结果如图4及表8～表13所示。

图4　桩基配筋检算参数设置

表8　单孔重载情况下MIDAS计算内力结果

表9　单孔重载情况下HRBD程序计算应力结果(主力作用下)

表10　单孔重载情况下HRBD程序计算内力结果(主力+附加力作用下)

表11　双孔重载情况下MIDAS计算内力结果

表12　双孔重载情况下HRBD程序计算应力结果(主力作用下)

表13　双孔重载情况下HRBD程序计算内力结果(主力+附加力作用下)

由计算结果可知，对柱桩配直径20 mm通长的钢筋，间距20 cm能满足要求。为满足规范规定的最小配筋率(0.5%)要求，对桩基配以直径20 mm通长钢筋，间距12.9 cm。

(5)施工移梁过程计算

分别以集中力模拟梁作用在从承台中间移动到横梁跨中，如图5所示，梁分别位于1、2、3、4、5、6、7、8、9九个位置时(即梁分别从水边侧开始移梁和从山体侧开始移梁两种情况均考虑在内)，用MIDAS计算横梁及桩基内力，用HRBD程序进行配筋验算。

图5　以静荷载模拟移梁过程，假定梁所处的位置

横梁主筋验算：通过MIDAS得出恒载分别与梁位于不同位置的荷载组合情况下的内力，从提取内力看，梁位于承台上时最不利。进行配筋验算，横梁底需配直径20 mm主筋，按间距10 cm布置；底及两侧配直径16 mm钢筋，也按10 cm间距布置即可。

表14　横梁不同位置剪力检算

由计算结果可知，抗剪最不利截面上中性轴处的剪应力均小于0.73 MPa，说明横梁只需按构造要求配置箍筋即可。

桩基配筋计算：以上述拟定的桩基配筋(直径20 mm通长的钢筋，间距20 cm)进行计算可知，移梁过程中，桩基配筋不控制，拟定的钢筋布置形式满足要求。

4　结论

(1)横梁底钢筋直径φ30 mm，间距10 cm布置，顶及两侧钢筋直径φ16 mm，间距10 cm布置，净保护层7 cm；箍筋按构造要求布置。

(2)桩基钢筋直径φ20 mm，间距12.9 cm布置，主筋中心至混凝土边缘9.2 cm。

(3)采用钢筋混凝土框架式桥墩，在既有路基两侧分设桩基，能满足在不间断铁路运营的情况下，将路基改造为桥梁，避开路基病害，保障铁路运输安全。

[1]TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S]

[2]TB10002.5—2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[3]GB50010—2002混凝土结构设计规范[S]

[4]GB10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]

[5]GB50111—2006铁路工程抗震设计规范[S]

[6]李乔.混凝土结构设计原理[M].北京：中国铁道出版社，2004

[7]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001

[8]韩斌.既有线200 km/h提速改造工程路基处理措施[J].铁道勘察，2006(2)

[9]魏永幸，左德元.对高速铁路以桥代路条件及其决策的思考[J].铁道勘察，2006(2)

[10]邱顺东. 桥梁工程软件midas Civil常见问题解答[M].北京：人民交通出版社，2009

[11]铁道第三勘察设计院.桥涵地基和基础[M].北京：中国铁道出版社，2002

Design of the Bridge Instead of the Railway Sub-Grade Diseased

ZHOU Lei

2016-01-13

邹蕾(1980—)，女，2009年毕业于西南交通大学桥梁与隧道专业，硕士，工程师。

1672-7479(2016)02-0092-05

U442.5

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