武廣鐵路客運專線橋墩設計研究分析

朱 敏,楊詠漪,陳 列,白琦成,何庭國

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

武廣鐵路客運專線橋墩設計研究分析

朱 敏,楊詠漪,陳 列,白琦成,何庭國

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

通過對比大量的國內外高速鐵路墩形,確定武廣鐵路客運專線橋墩的形式和結構尺寸,結合該線的地質狀況,設計中進行了大量的計算分析,最終確定墩身和基礎的分配比例。靜動力分析表明,武廣鐵路客運專線各種墩形的力學指標都滿足規范要求,采用無頂帽托盤的橋墩使得墩形更加簡潔并且施工更加方便。

武廣鐵路客運專線;高速鐵路;橋墩;選型;靜力分析;動力分析

早期普速鐵路橋梁設計多以 T梁為主,橋墩大多為柱式墩、圓端形和矩形墩。近期客運專線設計中采用的橋墩結構類型主要有圓端形實體墩、矩形實體墩、矩形雙柱墩、圓端形空心墩、矩形空心墩和單圓柱墩共6種墩形。武廣鐵路客運專線橋梁除單圓柱墩僅在斜交角度較大的跨河橋梁中少量采用外,主要采用的是圓端形實體墩、矩形空心墩和圓端形空心墩。

1 國內外高速鐵路橋墩概況

1.1 德國高速鐵路橋墩(圖1)

德國高速鐵路橋梁不多,主要以谷架橋為主,也有少量的立交橋。新建以科隆—法蘭克福高速鐵路為代表,線路全長 177km,共有 18座橋梁總長 6.06 km,其中谷架橋 15座,跨河橋 2座,立交橋 1座,橋梁占線路的 3.4%。基于高速鐵路橋梁大部分為山谷橋,且橋位現澆施工為主,德國主要以鋼筋混凝土空心墩為主。空心墩壁厚 35 cm;墩頂橫橋向寬度一般在 6.4 m以內,縱橋向尺寸一般在 2.7～4.0m(連續梁中墩由于只有一排支座而小一些,連續梁邊墩和簡支梁墩由于縱向有 2排支座尺寸稍大一些);墩頂設有檢查坑。

1.2 法國高速鐵路橋墩(圖2)

法國在修建高速鐵路橋梁時,著重強調橋梁要與周圍人文、自然景觀等協調一致,幾乎每座橋梁墩形都不相同,做到了一橋一景。當然,在法國考察過程中,法方也強調要做到一橋一景必將引起工程投資增加,最多增加了約 50%的投資。法國高速鐵路橋梁多采用頂推法施工,包括預應力混凝土梁和結合梁,橋墩尺寸比較大。

圖2 法國高速鐵路橋墩

1.3 意大利高速鐵路橋墩(圖3)

意大利以制造大噸位架橋機聞名于高速鐵路橋梁,橋梁占線路的比例比德國、法國要大,橋梁多采用預制架設方法施工,這不同于德國、法國高速鐵路橋梁。橋墩多以兩側帶裝飾開槽的實體墩為主,在跨越河流地方采用了圓柱墩。

圖3 意大利高速鐵路橋墩

1.4 韓國高速鐵路橋墩(圖4)

圖4 韓國高速鐵路橋墩

韓國京釜高速鐵路橋梁總長 112 km,占線路27%。梁部以 25、40m兩種橋跨的連續梁為主。25m梁跨的連續梁采用先簡支后連續的施工方案,簡支部分采取預制架設,這對橋墩的尺寸有一定的要求。根據不同批次考察人員所拍的照片分析,不同標段的橋墩有所不同,主要以矩形空心墩、圓柱墩為主。矩形空心墩外形尺寸不變,橫向寬 6m、縱向長 3.5m,墩頂中間設寬 1m、深 1m、長 3.5m的凹槽,以供運營階段檢查、維修和更換支座用。

1.5 中國臺灣高速鐵路橋墩(圖5)

中國臺灣高速鐵路橋梁總長 251 km,占線路長度的 72.8%,以 30、35m兩種跨度的簡支梁為主,梁部分預制架設、現澆施工兩種方法,其中預制架設占55.3%左右。橋墩在不同的標段有所不同,有單矩形柱式墩、單圓形柱式墩、矩形板式墩以及樁柱式墩等多種形式。中國臺灣高速鐵路橋梁更換支座時是在梁端部腹板下頂梁,所以梁端部懸臂較長,受此影響,橋墩頂帽縱向尺寸很大——單矩形柱頂帽尺寸為 850 cm×850 cm。值得說明的是,中國臺灣高速鐵路橋墩對橫向剛度控制不嚴,以致橋墩橫向尺寸很小——單矩形柱墩身尺寸為 260 cm(橫向)×220 cm(縱向),這在國內目前是難以想象的。

圖5 中國臺灣高速鐵路橋墩

1.6 日本高速鐵路橋墩(圖6)

日本新干線橋梁比重非常大,其橋梁特點也非常鮮明,即除立交、河流處采用 T梁及連續梁(剛構)、斜拉橋等特殊結構外,均采用小跨度的連續剛架橋,橋位現澆施工。T梁主要用于跨越道路、小河等。為降低結構高度,有時雙線采用了 8片 T梁,T梁的橋墩多采用板式墩,跨河橋梁的橋墩多采用圓柱式墩。部分高架車站采用了鋼管混凝土橋墩,以減小墩身截面尺寸。

圖6 日本高速鐵路橋墩

2 武廣鐵路客運專線橋墩設計情況

2.1 主要技術標準及依據

(1)鐵路等級：客運專線;

(2)正線數目：雙線;

(3)設計速度：速度目標值 350 km/h;

(4)正線線間距：5.0m;

(5)最小曲線半徑：一般9000m,困難7 000m,樞紐內5 500m;

(6)最大坡度：一般 12‰,局部地段不超過 20‰;(7)列車類型：動車組。

2.2 墩頂功能及設計

橋墩頂除通過支座支承梁部外,還有其他附屬功能,如更換支座時千斤頂擺放空間、防止落梁和防止梁部移動設施、檢查或更換支座時工作空間、墩頂排水等。

根據研究,如果把頂梁用的千斤頂放在梁端內側而非腹板下時,橋墩頂帽縱向尺寸可以減小 20 cm左右,橋墩頂縱向尺寸可以采用 300 cm,節約了橋墩工程量(經與梁部通用圖編制單位協商,頂梁千斤頂中心與支座中心距離按最大 80 cm控制,此條件限制支承墊石橫向寬度為 110 cm)。為配合高速鐵路簡支整孔箱梁,從橋墩美觀考慮、同時吸收國外空心橋墩的成功經驗,武廣鐵路客運專線空心墩不設頂帽,從而簡化了橋墩外形,在增加較少圬工用量的情況下還附帶增加了橋墩縱向線剛度,以確保客運專線橋梁行車更加平順。綜合各種因素,矩形空心墩外形尺寸橫向統一采用 680 cm,縱向采用 300～400 cm,四角采用 R=20 cm的圓角;圓端形空心墩外形橫向統一采用 800 cm,縱向采用 300～480 cm,可以使橋墩外形體量與簡支梁相匹配。

2.3 橋墩方案比選

為了確定更為適合武廣鐵路客運專線的墩形,設計中分別設計了 6種墩形進行比選,分別是：矩形實體墩、圓端形實體墩、流線型圓端形實體橋墩、矩形雙柱橋墩、圓端形空心橋墩和矩形空心橋墩。從圖7和圖8可以得出,無頂帽托盤的圓端形空心墩和矩形空心墩的墩身縱橫向線剛度與其他墩形相比較大。

圖7 各墩形墩身縱向線剛度比較

圖8 各墩形墩身橫向線剛度比較

2.4 橋墩設計

2.4.1 武廣鐵路客運專線采用的橋墩墩形

通過上述的力學比較并且結合施工,武廣鐵路客運專線采用了無頂帽托盤的圓端形橋墩和矩形橋墩,這時采用標準承臺即滿足剛性角要求,承臺構造配筋即可,無需加臺或加強配筋,加之簡潔明快的外形使得施工更為方便。

墩身和基礎的線剛度如何進行分配是一個非常重要的問題,結合武廣鐵路客運專線實際的地質狀況,設計中進行了大量的計算分析,最終確定墩身和基礎的分配比例為 7∶3。

(1)圓端形橋墩結構(圖9、圖10)

圖9 圓端形實體橋墩結構(單位：cm)

圖10 圓端形空心橋墩結構(單位：cm)

(2)矩形空心橋墩結構(圖11)

2.4.2 橋墩主要參數

各種墩形在不同墩高時橋墩尺寸及線剛度比較見圖12和圖13。

圖11 矩形空心橋墩結構(單位：cm)

圖12 各墩形墩身縱向線剛度比較

圖13 各墩形墩身圬工量比較

3 橋墩動靜力分析

3.1 橋墩靜力分析

靜力分析計算采用圓端形實體墩、圓端形空心橋墩和矩形空心橋墩。計算梁跨為 32m+32m箱形簡支梁,地震檢算為六度地震區(α≤0.1g),墩身計算時線路曲線半徑采用 R=5500m,基礎計算時線路采用直線。各種計算參數按鐵路橋梁設計規范及武廣鐵路客運專線的規定選取。

3.1.1 圓端形實體墩

墩身控制截面最大應力 σ=4.6MPa≤[σ0]=13 MPa,單線雙孔重載主力 +縱向附加力控制;墩身控制截面最小應力 σ=-0.02MPa≥[σ0]=-0.72MPa,單線單孔輕載主力 +縱向附加力控制;最大偏心比 e/s=0.23≤[e/s]=0.6;最小穩定系數 K=10.2≥[K]=2。各項力學指標均滿足鐵路橋梁規范及有關技術標準的規定。

3.1.2 圓端形空心墩

墩身控制截面最大應力 σ=6.4MPa≤[σ0]=13 MPa,單線雙孔重載主力 +縱向附加力控制、墩身控制截面最小應力 σ=0.98MPa≥[σ0]=-0.72 MPa,單線單孔重載主力 +縱向附加力控制;最大偏心比 e/s=0.29≤[e/s]=0.6;最小穩定系數 K=9.5≥[K]=2。各項力學指標均滿足鐵路橋梁規范及有關技術標準的規定。

3.1.3 矩形空心墩

墩身控制截面最大應力 σ=6.6MPa≤[σ0]=13 MPa,單線雙孔重載主力 +縱向附加力控制、墩身控制截面最小應力 σ=1.1MPa≥[σ0]=-0.72MPa,單線單孔重載主力 +縱向附加力控制;最大偏心比 e/s=0.3≤[e/s]=0.6;最小穩定系數 K=6.8≥[K]=2。各項力學指標均滿足鐵路橋梁規范及有關技術標準的規定。

3.2 橋墩動力分析

此處選取了具有代表性的連江大橋進行了動力分析(車橋耦合動力分析采用 MSC.PATRAN、MSC.NASTRAN和 MSC.ADAMS/RAIL分別建立列車、橋梁的空間振動分析模型進行計算),阻尼采用的是瑞利阻尼,結果見表1～表4。

表2 連江大橋的自振頻率

表3 連江大橋車橋動力分析橋梁響應匯總

表4 武廣鐵路客運專線連江大橋車橋動力分析評判結果匯總

分析結果表明：

(1)各種墩形的靜力分析都滿足規范要求。

(2)綜上所述,武廣鐵路客運專線代表性橋墩在所有計算的高速客車和中速客車通過時,橋梁振動加速度不超過限值,動力響應滿足要求,列車的輪重減載率和脫軌系數小于限值,行車安全性滿足要求,動車和拖車的豎、橫向舒適度均滿足要求。

5 結論

(1)武廣鐵路客運專線采用的圓端形實體墩、圓端形空心墩和矩形空心墩 3種類型橋墩,在強度、剛度、偏心、穩定性以及自振特性等方面均滿足相關規范要求。

(2)矩形和圓端型橋墩縱向線剛度和圬工量差別不大。

(3)車橋動力分析表明代表性橋墩動力行為表現優良,各項指標滿足要求。

(4)相比有頂帽橋墩,由于無頂帽橋墩承臺不用加臺就滿足剛性角要求,不僅節省了承臺圬工,挖方也大為減少。

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[5]中國鐵道科學研究院.中國鐵道科學研究院赴歐洲考察報告[R].北京：2003.

U238;U 443.22

A

1004-2954(2010)01-0100-05

圖1 德國高速鐵路橋墩

2009-11-30 作者簡介：朱 敏(1973—),男,高級工程師,1999年畢業于西南交通大學,工學碩士。