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客货共线大跨度预应力混凝土框架墩设计 分析 ： 梁磊 文章编号 ： 1 6 7 2 7 4 7 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 9 9 0 4 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， 北京1 0 0 0 5 5 ) An a l y s i s o f Pa s s e n g e r a n d Fr e i g h t Ra i l wa y Lo ng - s p a n Pr e - s t r e s s e d Co n c r e t e Po r t a l Pi e r De s i g n LI ANG L e i 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 中图分类号 ：U 4 4 2 5 文献标识码 ：B 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 收稿 日期 ： 2 0 1 51 21 1 作者简 介 ： 梁磊( 1 9 8 6 一 ) ， 女 ， 2 0 1 0年毕业 于北 京交通 大学桥 梁与隧 道工程专 业 ， 硕士 ， 工程师。 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 ， 昆 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 1 0 O 铁道勘察 2 0 1 6年第 1 期 速度 ： 客车 1 2 0 k m h ， 货车 8 0 k r n 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 基本烈度为度 ， 地震动反应谱特征周期为 0 3 5 s 。 2 2 结构描 述 框架 墩 横 向 计 算 跨 度 为 2 3 m， 横 梁 总 长 为 2 6 1 m。横 梁 截 面 顶 面 宽 4 IT I ， 底 面 宽 3 4 m， 高 2 8 m。立柱截面为 2 8 mx 2 5 I l l ， 设置 0 2 5 m圆角 ， 墩高为 1 5 5 m， 横梁及立柱截面如图 1所示 。横梁上 部架设 3 2 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。 f l ， ( h ) 立柱标准横断面 图 1 横梁与立柱 断面( 单位 ： mm) 1 04 l 4 20 0 0 1 3 6 8 6 1 0 0 图 2框架墩墩顶平面布置 ( 单位 ： mm) 2 3 结构计算 采用 MI D A S C i v i l 2 0 1 5建立空间梁单元有限元模 型 ， 采用 B 8 9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 5 2个梁单元 ， 图 3为 所建立的模型。 一 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 ： 恒载十 单线活载+ 横 向摇摆力+ 不均匀沉 降+ 纵向风荷载+ 制动力+ 升温+E t 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+ E t 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 1 0： 恒载+ 两股钢轨伸缩力 ； 组合 1 1 ： 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 。 呵 _ 客货共线大跨度预应力混凝土框架墩设计分析 ： 梁磊 1 01 表 1 1倍基础 刚度下各荷载作用 引起 的结构弯 矩 k N m 械 萼 鬟萼 囊 大 弯 矩 弓 弯 矩 弓 弓 表 2 3倍基础 刚度 下各 荷载 作用引起的结构弯矩 k N 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 7 4倍 ， 由立柱基础不均匀沉 降引起的墩底 弯矩为 1 1 4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 2 8 ， 引 起的柱 底 弯矩 占柱底 处 总弯 矩 的 8 2 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 3 0 ， 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 8 1 。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 为一 1 9 2 9 mm， 考虑活载冲 击系数 时挠度为一 2 3 1 5 m m， 静活载挠度为横梁跨度 的1 9 9 3 5， 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 强度安全系数 单元号 2 3 6 2 2 6 2 2 2 2 5 8 2 4 6 2 41 2 5 9 2 4 7 2 4 3 2 91 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 9 7 MP a 。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 3 7 MP a 。 ( 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 2 5 mm螺纹钢筋 ， 钢筋最大拉应力为 1 5 1 5 MP a ， 计算得混凝土裂缝为0 1 2 m m。 ( 4 ) 基础计算 根据 MI D A S计算所得承台底反力 ， 采用 B 8 9程序 2 2 2 2 2 2 4 4 3 3 一。 ， 4 ， m 1 02 铁道勘察 2 0 1 6年第 1期 进行群桩设计 。桩基采用 6根 1 m桩基 ， 桩长为 2 9 IT I ， 主加附工况下控制桩长 ， 最大桩头力为3 7 9 5 k N。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 m i ll 计 算， 采用钻 ( 挖) 孔桩基础时， 不均匀沉降按 1 0 m m 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， 即使混凝土进 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 = _ 式中肛 非线性位移延性 比； 允许位移延性比， 取值为 4 8 ； 桥墩的非线性响应最大位移 ； 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 j 。 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 T B 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 铁路桥涵设计基本规范 s 2 T I l l 0 0 0 2 3 2 0 0 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 I O 0 0 2 5 2 o 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 G B 5 0 1 1 1 2 0 o 6 铁路工程抗震设计规范( 2 0 0 9版) S 6 张士基 重载铁路大跨度预应力混凝土框架墩设计实例分 析 J 铁道勘察 ， 2 0 1 4 ( 1 ) 7 万 明 刚度在框架墩计算 中的影响 J 铁道勘察 ， 2 0 1 4( 6 ) 8 万 明 中低速磁悬浮小半径框架墩连续梁体系设计与研究 J 铁 道勘察 ， 2 0 1 0 ( 5 ) 9 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 ) 1 O 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) 1 1 T B 1 0 0 1 2 -2 0 0 7 铁路工程地质勘察规范 s