哈大客運專線鐵路雙線單圓柱橋墩設計

韓俊環

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

哈大客運專線鐵路多處跨越河流，在跨越河流時，采用常用的雙線圓端形橋墩或矩形橋墩，墩型為半流線形及非流線形橋墩，會造成水流不暢。尤其是斜交角度較小的河流，阻水嚴重，造成局部沖刷很深，不僅對橋梁結構存在安全隱患，也不能滿足水利部門對河道防洪的要求。為此，在哈大客運專線橋梁設計中，結合現場實際需要，提出了跨越河流采用雙線單圓柱橋墩的設計思路。單圓柱橋墩為流線墩型，水文分析表明，斜交河流采用單圓柱橋墩可以有效緩解水流的干擾，減小沖刷深度。哈大客運專線鐵路橋梁設計標準高，列車高速行駛時必須具有足夠的安全性和舒適性，合理的橋墩剛度限值是單圓柱橋墩設計的關鍵。下面就單圓柱橋墩設計中一些問題進行簡要探討。

2 橋墩構造形式

2.1 墩身截面選擇

為了實用性好、施工簡便、易于養護維修，橋墩墩身按照不同高度，根據計算比較分別采用直徑4.0 m直坡，適用于墩高12 m及以下;墩頂直徑4.0 m、坡率n=15的圓形變截面，適用于墩高大于12～20 m。直、曲線上采用相同的橋墩截面尺寸。

2.2 頂帽尺寸擬定

高速鐵路對橋梁結構整體美觀有一定的要求，單圓柱橋墩一般用在某個工點的跨河部分，很少單獨采用，頂帽在外形設計上，做到盡量與全橋采用的其他形式的橋墩頂帽相似，既保證了景觀的協調，又保證了單圓柱墩自身的流線形。頂帽順橋向寬度由3.2 m漸變為3.7 m，橫橋向寬度為7.0 m，與墩身通過圓弧過渡相接，避免了以往單圓柱橋墩頭重腳輕的感覺。注重細節設計，頂帽四角抹成0.5 m的圓角，頂帽上設置了排水坡。為便于支座的檢查及維修工作，在墩頂設置進人凹槽。頂帽、托盤及墩身相互間不設飛檐。墩頂預留了頂梁、維修和更換支座位置。采用加高式支承墊石，梁底至墩頂按60 cm考慮。橋墩結構如圖1所示。

圖1 橋墩結構(單位:cm)

3 設計荷載

3.1 恒載

包括梁部結構自重、二期恒載、預加應力及基礎變位等。

3.2 列車活載［1］

采用“ZK活載”，荷載圖式見圖2。

圖2 ZK標準活載圖式(一)(單位:m)

(1)設計加載時，活載圖式可任意截取。對多符號影響線，活載圖式可隔開，即在同符號影響線各區段進行加載，中間的異符號影響線區段不加載。根據ZK標準活載分別作用于每一條線，選定產生基底最大應力及最大偏心時的最不利荷載位置。雙線荷載作用時按100%計，不予折減。

(2)頂帽和鋼筋混凝土墩身結構考慮列車活載的動力作用。

(3)橋梁在曲線上時，應考慮列車豎向靜活載產生的離心力。離心力的大小等于ZK靜活載乘以系數C，C按下列公式進行計算

式中 V——設計速度，km/h;

R——曲線半徑，m;

L——橋上曲線部分荷載長度，m;

f——荷載折減系數。當V＞300 km/h時，取V=300 km/h計算f值。當V≤120 km/h時，f值取1.0。當計算f值大于1.0時取1.0。

離心力按水平向外作用于軌頂以上1.8 m處。

(4)制動力或牽引力按列車豎向靜活載的10%計算，但當與離心力或列車的豎向動力作用同時計算時，則按豎向靜活載的7%計算。雙線橋采用一線的制動力或牽引力。

(5)橫向搖擺力取100 kN，作為一個集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面。雙線橋只計算任一線上的橫向搖擺力。

3.3 無縫線路作用于墩臺頂的縱向水平力［3］

無縫線路長鋼軌伸縮力、撓曲力和斷軌力引起的墩臺頂縱向水平力，按梁軌共同作用進行計算，并作用于墩臺上的支座中心處。斷軌力為特殊荷載，只計1根鋼軌的斷軌力。

(1)無縫線路作用于橋墩頂的縱向力組合原則。

①同一股鋼軌作用于墩頂的伸縮力、撓曲力和斷軌力相互獨立，不作疊加;

②伸縮力、撓曲力和斷軌力不與同線的豎向活載、離心力、牽引力或制動力組合;

③伸縮力、撓曲力按主力考慮，斷軌力按特殊荷載考慮。

(2)考慮無縫線路作用而增加的力的組合。

①主力(雙線無車):恒載+4股鋼軌作用于墩頂的伸縮力或車前撓曲力;

②主力+縱向附加力(一線有車、一線無車):恒載+活載+一線列車制動力或牽引力+另一線2股鋼軌作用于墩頂的伸縮力或車前撓曲力+其他縱向附加力;

③主力+特殊荷載(雙線無車):恒載+一線一股鋼軌作用于墩頂的斷軌力+另一股鋼軌作用于墩頂的伸縮力+另一線2股鋼軌作用在橋梁上的伸縮力或車前撓曲力;

④主力+特殊荷載(一線有車，一線無車):恒載+一線活載+另一線一股鋼軌斷軌力+另一線一股鋼軌伸縮力。

4 墩頂水平線剛度確定

為滿足無縫線路軌道的受力及行車舒適性，橋墩設計提出墩頂縱向水平線剛度限值要求。但規范上對于橋墩的橫向剛度沒有明確規定，設計時可按荷載作用下的橋墩橫向水平位移差引起的相鄰結構物橋面處軸線間的水平折角不超過1‰來控制。對于雙線鐵路，板式橋墩橫向尺寸較大，一般縱向水平剛度控制設計，當橋墩不很高時橫向水平剛度都能滿足要求。雙線單圓柱墩由于縱橫向尺寸一致，相對其他墩型橫向剛度較弱。較大的橫向剛度，可以保證列車運行的安全性、舒適性和穩定性，確保橋上不出現過大的橫向振動，減少橋上軌道的養護維修。故此，合理的橋墩剛度限值是單圓柱橋墩設計的關鍵。按照《高速鐵路設計規范》，簡支梁墩頂最小縱向水平線剛度 K最小(kN/cm·雙線)必須滿足表1要求。

表1 墩頂最小縱向水平線剛度限值［1］

墩頂水平總位移為墩身彈性水平位移、基礎轉動引起的墩頂水平位移及與基礎位移三者之和。其他墩型的橋墩設計時按單位力墩身位移占單位力總位移的60% ～40%的擬定墩身尺寸［5，6］。圓形橋墩基礎橫向尺寸相對較小，橫向抗位移能力較弱，如采取增大基礎橫向尺寸來提高橫向總剛度，減小橫向位移，基礎尺寸會明顯增大，工程造價高，技術不合理。經過計算分析，通過調整墩身尺寸滿足總位移要求是最經濟的辦法。同時，雙線單圓柱橋墩基本為跨越河流時采用，加大基礎尺寸會帶來橋墩局部沖刷加大，基礎剛度會隨之削弱。考慮以上2個因素，單圓柱橋墩設計時，確定合理的墩身位移占總位移的比值，才能使橋墩設計合理。根據哈大客運專線的單圓柱橋墩設計經驗，確定墩身位移占總位移的比值不宜超過40%。

5 橋墩設計檢算

5.1 頂帽

按照鋼筋混凝土結構計算原理配置了滿足強度所需的抗彎鋼筋、抗剪斜筋及箍筋。

5.2 墩身

(1)實體混凝土橋墩按混凝土偏心受壓構件計算。除墩身整體縱向穩定性和截面強度滿足現行規范要求外，還應符合以下要求。

①墩身截面合力偏心距e要考慮彎矩增大系數的影響須符合下列規定:

主力 e≤0.5S;

主力+附加力 e≤0.5S;

主力+特殊力(無縫線路斷軌力)e≤0.7S

S沿截面重心與合力作用點的連線上量取，自截面重心至該連線與截面外包輪廓線交點的距離。

②墩身外側根據構造要求設置護面鋼筋。

(2)鋼筋混凝土橋墩按鋼筋混凝土偏心受壓構件計算。墩身裂縫寬度除按現行《鐵路橋梁規范》辦理外，還要滿足耐久性要求。

(3)橋墩頂面彈性水平位移Δ按以下原則進行檢算。

式中 L——橋梁跨度，m，當為不等跨時，L采用相鄰跨中較小跨的跨度;

Δ——對應橋墩位置的橋面處橫向水平位移，mm，包括由于墩身和基礎彈性變形以及基底土彈性變形的影響。

橫橋方向:按《京滬高速鐵路設計暫行規定》，墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于1.0‰。按表2的要求控制對應橋墩位置的橋面處橫向位移，即滿足規范要求。

表2 橫向位移限值 cm

5.3 地震力計算［4］

按照《鐵路工程抗震設計規范》，采用反應譜理論對下部結構地震力加以計算。計算時把墩身簡化為多質點體系，基礎簡化為彈簧作用在基底。計算順橋向地震力時，將一孔梁作為一個質點作用于墩頂;計算橫向地震力時考慮各墩共同分擔梁體質量，梁體的地震力作用于梁高1/2處，計入50% 活載引起的地震力，作用于軌頂以上2 m處;同時還要考慮橋上無車時的情況。

在抗震構造措施上，考慮延性設計要求采取加強措施:混凝土實體橋墩配置護面鋼筋，在連接部位加強箍筋設計;鋼筋混凝土橋墩塑性鉸區域加強箍筋配置，間距不大于10 cm，配箍率一般不低于配筋率的1/4，且不低于0.3%;墩身豎向鋼筋深入基礎底部并與底部鋼筋連接。

5.4 耐久性設計［2，6］

客運專線橋梁設計中，橋墩的耐久性設計日益得到重視，橋梁設計明確提出了橋梁結構的設計使用壽命為100年的目標。影響結構耐久性的主要因素有:結構構造、材料性能、施工質量、構件養護和運營維護等。橋墩設計從以下幾個方面進行合理研究。

(1)采用具有良好的工作性、均勻性、密實性、抗裂性的高性能混凝土。

(2)采取必要構造措施。

①采用的結構類型、結構布置和結構構造應盡可能隔絕或減輕環境對混凝土的作用;

②防止或控制混凝土開裂，橋墩結構棱角盡可能做成圓角;

③增加鋼筋保護層厚度。橋墩墩身設計時混凝土保護層厚度按5 cm考慮;

④橋墩結構上設置排水管，墩頂設排水坡。

(3)對所用骨料進行成分分析及堿活性試驗，防止堿骨料反應。

(4)加強結構預埋件的防腐處理。

(5)為運營后的定期檢查和維護，充分考慮養護維修的需要，在橋墩上設置了吊籃和檢查梯。

6 結語

結合哈大客運專線設計完成的橋梁雙線單圓柱橋墩設計，結合水文情況、客運專線水平線剛度限值要求，合理確定了墩身直徑，滿足河道行洪的同時又能滿足客運專線運行的安全性、平穩性和舒適性。目前，單圓柱橋墩已經在多條客運專線跨河橋梁上采用。

［1］TB 10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］TB 10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［3］鐵道科學研究院.新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定［S］.北京:鐵道科學研究院，2003.

［4］GB5011—2006 鐵路工程抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［5］施威.無縫線路單線鐵路鋼筋混凝土單圓柱橋墩設計［J］.鐵道標準設計，2003(7):35-37.

［6］甄津津.客運專線鐵路常用跨度橋梁橋墩設計［J］.鐵道標準設計，2007(2):32-35.

［7］朱敏，陳列，等.武廣鐵路客運專線橋梁設計研究分析［J］.鐵道標準設計，2010(1):100-104.

［8］李杰.關于提高簡支梁橋中、高橋墩橫向剛度的探討［J］.鐵道建筑，2004(8):27-30.

［9］韓俊環.津濱輕軌伸縮區與固定區橋墩設計差異分析［J］.鐵道標準設計，2003(8):78-79.

［10］蔡德強.廣珠城際軌道實體橋墩設計分析［J］.橋梁建設，2010(2):49-51.