重载铁路大跨度预应力混凝土框架墩设计实例分析.pdf

重载铁路大跨 度预应力 混凝 土框架墩设计实例分析 ： 张世基 1 0l 文章编号 ： 1 6 7 2 7 4 7 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 1 0 1 0 4 重 载铁 路大 跨度预应 力混凝 土框 架墩设计 实例分析 张世基 ( 中铁工程设计咨询集团有限公司， 北京1 0 0 0 5 5 ) De s i g n Ex a mp l e An a l y s i s o f He a v y Ha u l Ra i l wa y La r g e S p a n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Fr a me Pi e r s Z H A N G S h ij i 摘要 山西中南部铁路通道是我国第一条采用 3 0 t 轴重的重载铁路 ， 某工点处与 莱芜市汇河大 道夹角只有 1 6 。 。通过对跨越方案的综合比选 ， 选用 了横梁计算跨度为 2 8 m 的框架墩方案。结合工程 实例 ， 对框 架墩进行整体计算和局部分析 ， 拟定出重载作 用下大跨度框 架墩的合理尺寸 ， 并对主要施工 步骤 及 工艺进 行 了说 明。 关键词 重载 大跨度框架墩设计实例 中图分类号 ： U 4 4 2 5 文献标识码 ：B 1 工程概 况 山西中南部铁路通道是我国第一条采用3 0 t 轴重 的重载铁路 ， 是横跨 山西 、 河南 、 山东 三省 ， 并连接 焦 柳 、 京广 、 京九 、 京沪铁路干线 的重要铁路运输通道 ， 以 煤炭 、 焦炭的运输为主， 兼 营客运 ， 建成后将成为我国 铁路 运 输 的一 条 大 动 脉。线 路 在 莱 芜 地 区跨 越 $ 2 4 2之前 ， 以汇河大道为界 ， 向南为港里铁矿 ， 向北为 垂阳铁矿 ， 两矿 区之间安全通道最窄距离约 1 9 5 m， 铁 路选线受限。经反复比选 ， 线路首先跨过汇河大道 ， 走 行于远离崩落法采空区的汇河 大道北侧安全廊道 内。 本方案绕避采空区， 与汇河大道共通道 ， 且绕避 了港里 村 ， 拆迁实施难度小 ， 有利 于城市规划布局 ， 符合地方 政府意见 ， 因而最终采用此方案。 2 框架墩平面布置及场区条件 汇河大道为市政道路 ， 路面宽 2 4 m， 沥青路面， 中 间无绿化带 ， 两侧为 2 5 m宽人行道 ， 受采空区及城市 规划影响， 铁路与汇河大道夹 角只有 1 6 。 。如采用 混 凝土连续梁方案， 至少需要主跨为 1 2 0 m的连续梁才 收稿 日期 ： 2 0 1 3一l l 一2 6 第一作者简介 ： 张世基 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 2 0 0 4年 毕业于西南 交通大 学桥梁 专业 ， 工程 师。 能一跨跨越 ， 中支点高 9 6 m， 边支点高 5 6 m， 中墩高 1 6 ，m， 边墩高 2 0 m， 非常不经济， 简单比较后予以舍 弃； 经与地方交通部门多次协调， 本处采用 4孑 L 3 2 m 简支 T梁跨越汇河大道 ， 桥墩采 用框架墩 ， 墩柱 占压 了部分人行道 ， 采取局部 改移 。桥址 区属 中软一 中硬 场地 ， 类别为 类 ， 地震动峰值加速度 为 0 0 5 g ， 地震 动反应谱特征周期为 0 4 5 s ； 地下水对混凝土结构具 有硫酸盐侵蚀性， 环境作用等级为 H 1 。框架墩平面布 置如图 1 所示 。 3框架墩横梁形式比选 铁路桥框架墩横梁一般有两种 ， 一种为钢横梁 ， 一 种为混凝土横梁 ， 两种形式横梁均能满足各项设计指 标 ， 以 8 7号墩 为例 ( 本文均 以 8 7号墩进行 分析) ， 对 两种横梁进行 比较分析。 如采用钢横梁 ， 横梁全长 3 2 m， 顶宽 3 5 m， 梁高 3 7 m； 经估算 ， 整个横梁用钢量约为 2 4 1 t 。如采用混 凝土横梁 ， 考虑到跨度 较大， 本次设计采用箱形截 面； 横梁全长 3 2 m， 顶宽 4 5 m， 跨 中梁高 3 3 m； 经估算 ， 整个横梁混 凝土用量 为 4 3 9 m ， 预应力钢 绞线约 为 2 9 t ， 普通钢筋约为6 5 t 。 采用钢横梁方案 ， 可先将各板材在工厂内生产 ， 现 场直接拼装 ， 施工周期 短， 对桥下汇河大道影响较小 ， l 0 2 铁道勘察 2 0 1 4年第 1 期 。 一 ， 一 鍪 f l 。 订 _ f 接 蚤 符道 ： 、 。 l | 。 0 6 J 画 L n |t 辜 阿 1 R 、 ， 。 Io l ： I o f 黛 | | | v l l 图 1 框 架墩 平面布置 ( 单位 ： c m) 但钢横梁造价 比较高， 且后期养护维修工作量较大 ； 采 用混凝土横梁 ， 需 占用部分道路搭设 临时支架 ， 施工周 期较长， 但造价低； 经与地方交通部门多次沟通， 同意 在路中设置临时支墩进行横梁现浇作业 ， 施工完成后 按原标准进行恢复 ； 综合考虑造价、 施工周期 、 交通部 门意见 、 养护维修等方面， 最终选用混凝土横梁。 4 结构 尺寸 框架墩横梁跨 中高 3 3 1 3 1 ， 支点处高 4 3 IT I ， 顶宽 4 5 1T I ， 顶板厚 0 8 i n ， 底板厚 0 6 m； 两墩柱高 1 8 n l ， 顺 桥向 3 5 i n ， 横桥向 3 0 1 1 3 ； 承台顺桥 向 1 0 5 1 T I ， 横桥向 6 5 m宽 ， 厚 3 0 IT I ； 左右两墩柱均 采用 6根 1 5 I n桩 基。为避免横梁内外温差过大 ， 在两侧腹板上设置直 径为 1 0 c m的通风孔 ， 间距 2 i n左右 ； 为避免横梁箱体 内积水 ， 在横梁底部中心设置外径为 1 6 c m的 P V C泄 水孔 ， 间距 4 m左右。框架墩整体布置如图 2所示。 5 建筑材料 支承垫石 及横 梁采 用 C 5 0混 凝 土， 两 墩柱 采用 C 4 0混凝土 ， 承台及桩基采用 C 3 5混凝土。 预应 力钢 束采 用 1 x 71 5 2 1 8 6 0 一G B T 5 2 2 4 2 0 0 3预应力钢绞线 ， 圆形镀锌金属波纹管成孔 ， 锚 固 体系采用 自锚式拉丝体系。 普通钢筋采用 H P B 3 0 0和未经高压穿水处理过 的 H R B 3 3 5 、 H R B 4 0 0钢筋 ， 其 中 H R B 3 3 5 、 H R B 4 0 0钢筋 图 2框架墩整体布置 ( 单位 ： c m) 的化学成分 C + Mn 6应小于或等于 0 5 。 6 设计荷载 6 1 恒载 本设计主梁 自重 5 6 9 6 k N； 二期恒载包括线路设 备 、 道砟 、 人行道支架 、 步板 、 声屏障、 电缆槽 、 现浇桥面 板及横隔板湿接缝 的重量 ， 取 1 6 9 2 4 k N m。 左右立柱基础不均匀沉降按不大于 1 c m考虑。 6 2 活 载 目前我 国尚无重载铁路设计规范 ， 山西中南部设 计活载、 动力系数、 横向摇摆力等参数根据 山西中南 部铁路通道设计活载标准及相关参数研究审查意见 采用 ， 列车活载 采用 “ 中一活载 ( 2 0 0 5 ) Z H标 准 ( = 1 2 ) ” ， 荷载图式如图 3所示。 根据审查意见， 动力系数 、 牵引力和制动力系数仍 重载铁路大跨 度预应 力混凝 土框架墩设计实例分析 ： 张世基 1 03 3 00 k N 30 0 kN 3 oo k N 3 00 kN 1 【 l 1 0 2 k N m I l l 1 0 2 k N m 厂 丁_ T r T1 I l 广r T 厂 T T 厂丌 无限长 D 1 6 1 6 1 6 D 无 限长 图3 中一 活载( 2 0 0 5) Z H标准( z =1 2 ) 标准活载 按 铁路桥涵设计基本规范 公式采用； 横向摇摆力、 脱轨荷载的计算原则按 铁路桥涵设计基本规范 采 用 ， 荷载取值提高 2 0 。离心力按 铁 路桥 涵设计基 本规范 公式采用 ， 作用位置取轨顶 以上 2 2 m。 6 3 附加 力 风力 、 温度力 、 制动力 均按 铁路桥涵设计基本规 范 取值 。 6 4 特殊荷 载 经核实 ， 此处采用“ D F G T 4 0 1 8 0型公铁两用架桥 机及配套 D Y1 8 0型运梁车” 进行运架梁 ， 设计 中采用 对应荷载对框架墩进行检算。 7 结构计算 7 1 荷载 组合 根据框架墩整体受力情况 ， 设计时考虑以下 1 0种 荷载组合 。 组合 1 ： 恒载+ 双线活载+ 横 向摇摆力+ 支座变位 ； 组合 2 ： 恒载+ 双线 活载+ 横 向摇摆力+ 支座变位+ 风荷载+ 制动力+ 升温 ； 组合 3 ： 恒载+ 双线活载+ 横 向摇摆力+ 支座变位+ 风荷载+ 制动力+ 降温 ； 组合 4 ： 恒载 + 外侧单线 活载+ 横 向摇摆力 + 支座 变位 ； 组合 5 ： 恒载+ 外侧单线活载+ 横 向摇摆力+ 支座变 位+ 长钢轨力+ 风荷载+ 制动力 + 升温 ； 组合 6 ： 恒载+ 外侧单线活载+ 横 向摇摆力+ 支座变 位+ 长钢轨力+ 风荷载+ 制动力 + 降温 ； 组合 7 ： 恒载 + 内侧单线 活载 + 横 向摇摆力 + 支座 变位 ； 组合 8 ： 恒载+ 内侧单线活载+ 横向摇摆力+ 支座变 位+ 长钢轨力+ 风荷载+ 制动力+ 升温 ； 组合 9 ： 恒载+ 内侧单线活载+ 横向摇摆力+ 支座变 位+ 长钢轨力+ 风荷载+ 制动力+ 降温 ； 组合 1 0 ： 恒载十 长钢轨力十 支座变位。 7 2 横 梁计算 本设计框架墩横梁预应力计算采用 P R B P进行计 算 ， 共分 4 2个单元 ， 划分单元如图4所示。 预应力钢束 1采用 1 9 7 西 5 ， N 2胛 采用 1 7 一 图 4单元划分 7 6 5 ， 锚下控制应力取 0 v z p 左右 ； 其 中 1 2钢束 第一批进行张拉 ， 3 A 7钢束第二批进行张拉。 7 3 计算结果 经检算 ， 在运架梁工况下 ， 对于横梁上缘 ， 最大压 应力为 8 2 8 MP a ， 最小压应力为 0 7 2 M P a ； 对于横梁 下缘 ， 混 凝 土 最 大 压 应 力 1 0 0 3 MP a ， 最 小 压 应 力 3 9 2 MP a 。施工 阶段横梁上下缘最大 、 最小应力均满 足规范要求。 运营状态下 ， 横梁预应力计算结果如表 l 所示 。 表 1 框架墩横 梁组合应 力计 算结果 工况 单元号 “ 单元号 单元 号 ” 单元号 l l 6 6 4 9 3 4 9 4 l 5 3 3 5 3 2 6 1 9 2 1 7 1 6 9 2 8 3 4 l 6 3 0 1 6 2 98 1 9 3 1 7 5 6 9 3 4 9 4 l 5 4 6 1 6 2 7 4 l 9 4 1 4 1 5 8 3 4 9 4 l 5 3 3 5 3 2 6 l 9 5 1 4 6 9 8 2 8 3 4 1 6 1 6 l 6 2 98 1 9 6 1 5 0 9 8 3 4 9 4 1 5 3 3 1 6 2 7 4 l 9 7 1 4 6 4 9 3 4 9 4 1 5 3 3 5 3 2 6 1 9 8 1 5 1 7 9 2 8 3 4 1 6 1 6 5 2 98 1 9 9 1 5 5 7 9 3 4 9 4 1 5 3 3 5 2 7 4 l 9 1 0 】 2 0 8 9 3 4 9 4 】 5 3 3 5 3 2 6 1 9 从表 1可 以看出 ： 主力工况下 ， 对于横梁上缘 ， 最 大压应力为 l 6 6 4 MP a ， 最小压应力为 3 4 9 M P a ； 对 于 横梁下缘 ， 混凝土最大压应力 1 5 3 3 MP a ， 最小压应力 3 2 6 MP a 。运营阶段横梁上下缘最大 、 最小应力均满 足规范要求。 运营状态下 ， 框架 墩强度安全数及出现的单元号 如表 2所示。 7 4 框架墩立柱计算 采用 MI D A S 计算两个墩柱各截面最大弯矩 ， 各截 面弯矩计算结果如表 3所示 。 1 0 4 铁道勘察 2 0 1 4年第 1期 表 2 横梁正截面强度计算结果 根据 各截 面弯矩计 算结 果 ， 墩 柱与横 梁相 接 的 3 2 、 4 3截面弯矩最大 ， 两墩柱主筋均采用 3 2 mm钢筋 ， 换算到主力工况下， 钢筋最大应力为 1 7 8 5 M P a ， 最大 裂缝宽度为 0 1 9 8 m m， 均满足规范要求。 7 5 基础计 算 承台满足刚性 角 ， 只配置构造钢筋 ； 根据 MI D A S 整体模型计算的承台底反力， 采用群桩计算程序计算 基桩内力。经计算 ， 左右墩柱均采用 6根 1 5 i n桩基 ， 左侧立柱桩长 4 2 i n ， 最大桩基内力为9 4 1 0 1 k N， 右侧 立柱桩长 3 8 m， 最大桩基 内力为8 2 8 0 7 k N， 均为主加 附控制桩长 。 7 6 局部应 力分析 框架墩局部应力采用 A N S Y S软件进行 ， 建立完整 的框架墩模型 ， 包括横梁 、 墩柱 、 承台。其中， 实体部分 采用 s o l i d 4 5单元模拟 ， 预应力筋采用 l i n k 8单元模拟 ； 荷载条件主要考虑框架墩 自重、 由支承垫石传递的上 部结构恒载及活载 ， 在承台底施加边界条件。 8 施工步骤 框架墩的施工步骤主要分为以下几步。 第一步 ： 钻孔桩施工， 支模现浇承台及墩柱。 第二步 ： 待墩柱混凝 土弹性模量 达到 9 0 ， 且养 护时间不小于 5天后 ， 支架施工横梁混凝土。 施工前在支架上堆载不小于支架所承受最大施工 荷载的 1 1 0 进行预压 ， 并实测支架的沉 降和变形 ， 以 便提前设置预拱度， 确保梁底高程符合规范要求， 同时 支架受力要能满足预应力张拉时结构压缩对支架产生 的纵 向力 。 第三步 ： 横梁混凝 土强度达到设计值 9 0 ， 且养 护时间不小于 5天后 ， 张拉第一批预应力钢束 ， 张拉完 成后进行管道压浆 ， 拆除横梁支架。 第四步 ： 待管道压浆达到设计强度后 ， 灌注支承垫 石混凝土。 第五步 ： 架设梁体 。 第六步： 梁体架设完成后， 张拉批- t t 预应力钢 束， 钢束张拉后立即管道压浆， 采用 C 5 0补偿收缩混 凝土进行封锚。 第七步 ： 现浇 T梁湿接缝 ， 施工桥面系。 参考文献 1 T B I O 0 0 2 1 2 0 0 5 铁路桥涵设计基本规范 S 2 T B I O 0 0 2 3 2 0 o 5 铁路桥涵钢筋混凝土 和预应力混凝 土结构设 计 规范 S 3 T B 1 0 0 0 2 5 2 0 o 5 铁路桥涵地基和基础设计规范 S 【 4 T B 1 0 0 0 2 -2 0 1 0 铁路混凝土结构耐久性设计规范 S 5 铁建设函 2 0 0 3 2 0 5号 新建 铁路 桥上无 缝线 路设 计暂 行规 定 S 6 中铁工程设计 咨询集 团有限公 司 莱芜地 区绕避采空 区改线 补充 初步设计报告 R 北京： 中铁工程设计咨询集团有限公司， 2 0 1 2 7 孟庆涛 山西中南部铁路斜交 刚构连续 梁桥设计 J 铁道勘 察 ， 2 0 1 3 ( 5 ) 8 张明欣 大跨 径框架墩在跨线桥 中的应用 J 公路 ， 2 0 0 9 ( 7 ) 9 田万俊 预应 力 混凝 土 框 架墩 设 计 研究 J 铁 道 标 准 设计 ， 2 0 0 3 ( 8 ) 1 O 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 重载铁路发展概况 R 北京： 中国铁道科学研究院， 2 0 1 1 1 1 胡国华 山西中南部铁路通道重载连续梁设计 J 铁道勘察， 2 0 1 2 ( 3 )