設置無縫線路固定端刺橋梁結構設計

蔡建業　李　園

(1.中鐵第四勘察設計院， 湖北武漢　430063； 2.揚州市市政建設處， 江蘇揚州　225002)

1　工程概況

海航特大橋石大路段位于浙江省杭州市境內，主要跨越規劃世紀大道、筧丁路、滬杭鐵路、石大路等，全長6 312 m。線路主要技術條件如下。

鐵路等級：客運專線；

正線數目：雙線；

設計速度：350 km/h；

正線線間距：5.0 m；

設計活載：ZK活載；

軌道結構：CRTSⅡ型板式無碴軌道。

運營需要連續的CRTSⅡ板式無砟軌道在橋上斷開，為保證縱向連續的軌道穩定，CRTSⅡ板式無砟軌道在某跨梁兩端設置固定端刺，無砟軌道板與梁體澆筑一體，以此將軌道由于溫度變化產生的強大的縱向力傳遞給橋梁結構，具體技術要求如下。

(1)梁部承受軌道縱向力

降溫工況下：7.48 MN；

升溫工況下：10.6 MN。

(2)橋梁縱向位移

在上述縱向力作用下，橋梁縱向位移不大于3 mm。

2　橋梁結構設計

2.1　上部結構設計

原設計海航特大橋184號墩、185號墩之間設置32 m簡支箱梁，梁高3.05 m，橋墩采用圓端形墩身，墩高14 m，橋跨布置如圖1。因184號墩、185號墩之間的簡支梁上設置固定端刺，且184號墩、185號墩的墩身、承臺、樁基已經施工完工，依據理論分析，采用184號墩、185號墩之間的簡支梁不架設，保留184號墩、185號墩墩身及其樁基，新建挖孔樁，整體墩身及現澆梁體組成新的橋梁結構，具體結構形式及尺寸見圖2。

圖1　橋跨布置(單位：cm)

圖2　新結構輪廓(單位：cm)

2.2　基礎設計

原基礎采用12-φ1.00 m鉆孔樁，樁長分別為53 m、54.5 m，承臺厚2.5 m。現采用在既有樁基周邊新增31-φ2.50 m鉆孔樁，樁長57 m嵌入弱分化凝灰巖，承臺厚5 m，新建承臺將既有承臺包圍在內，新建承臺及樁基布置見圖2。

3　計算模型

3.1　有限元計算模型

采用ANSYS建立實體模型(圖3)，梁體、墩身、承臺、樁基均采用SOLID65單元，具體材料參數見表1。根據TB 10002.3—2005《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》規定，計算墩身變形時需對材料彈性模量進行0.8倍折減。

樁土相互作用采用土彈簧法進行模擬，采用了以下假定：(1)在同一水平層土壤為各向同性線彈性體；(2)側向土的性質在2個正交方向彼此無關；(3)土壤的抗力在軸向、側向和扭轉方向是不耦合的，且屬于小位移問題；(4)用等待土彈簧來反應土層的恢復力，其剛度用“m”法計算。土彈簧采用link11單元模擬，采用“m”法計算土彈簧剛度系數K值(見表2)。

表1　材料參數

邊界條件：樁底嵌入凝灰巖，模擬為固結。

表2　土彈簧剛度系數K值

圖3　有限元模型

3.2　計算荷載

根據結構實際受力情況確定如下主要計算荷載。

(1)ZK荷載；

(2)二期恒載：155 kN/m；

(3)縱向力：10.6/7.48 kN；

(4)集中力：10.963 kN，分布荷載：5.613 kN；

(5)相鄰梁端豎向荷載(梁重+二恒+ZK荷載)：9 501.6 kN、8 797.4 kN。

4　計算結果及分析

4.1　結構縱向變形計算結果

在最不利荷載工況下，橋梁結構整體縱向變形最大值2.98 mm，位于梁體端刺錨固區(見圖4)，滿足橋梁縱向位移不大于3 mm規定。

圖4　整體縱向變形(單位：m)

4.2　應力計算結果

應力計算結果(最不利荷載工況)：

梁體主拉應力最大值1.76 MPa，位于端刺錨固區，其他區域最大主拉應力值均小于0.9 MPa，見圖5。

圖5　梁體主拉應力

墩身主拉應力最大值1.35 MPa，位于梁與墩固結梁端部墩頂，其他區域基本受壓，見圖6。

圖6　墩身主拉應力

承臺主拉應力最大值2.47 MPa，位于圖中深色部分，其他區域最大主拉應力值均小于0.8 MPa，見圖7。

圖7　承臺主拉應力

4.3　配筋

梁體、墩身最大主拉應力1.76 MPa，滿足規范表5.2.1條有箍筋及斜筋時的主拉應力限值要求，根據主拉應力云圖進行配筋計算，梁體除梁頂端刺錨固區縱向采用φ25鋼筋，間距10 cm，其他部位均采用構造配筋，局部位置構造鋼筋加強。

承臺最大主拉應力2.47 MPa，位于承臺底部深色區域。通過計算，承臺底深色區域需采用φ25雙筋，間距10 cm。

新增31-φ2.50 m鉆孔樁，所有鋼筋均采用Q235鋼筋。通過計算，需布置52根φ25鋼筋。

5　施工方法

在既有184墩～185墩之間設計固定端刺結構，固定端刺結構由樁基、承臺、墩身以及現澆梁組成，施工順序如下：

①既有184墩、185墩的墩身、承臺以及樁基均保留，兩墩之間的32 m簡支箱梁不架設。

②在既有樁基周邊增加鉆孔樁，再新建整體承臺。新建承臺的底面較既有承臺底面下降0.7 m，新建承臺頂面較既有承臺頂面升高0.8 m，新建承臺將既有承臺圍包在內，清除既有承臺底面以下0.7 m范圍內泥土，保護好既有樁基。在既有承臺的頂面及四周利用化學植筋工法，鉆孔、植筋再加涂E200界面劑，使新、舊混凝土牢固結合形成整體。

③新建承臺以上為墩身，其兩端與既有墩身結合。為使新、舊墩身的牢固結合，仍選用化學植筋工法，鉆孔、植筋并加涂E200界面劑。

④墩身以上為現澆梁，現澆梁不安裝支座。現澆梁的周邊外形與本線32 m簡支箱梁基本一致，由于不安裝支座，因此梁的高度稍大于簡支箱梁。翼板尺寸與簡支箱梁等同，頂板、腹板均取較厚尺寸，以保證固定軌道板預埋鋼筋的錨固深度。不設置預應力筋，不設底板，腹板鋼筋錨固于墩身內。梁面上也就是橋面上預埋剪力齒槽，剪力齒槽緊跟梁端硬泡沫塑料板布置，每端4排，雙線鐵路四個梁端共設置16排。

6　結束語

通過對設置無縫線路固定端刺橋梁結構空間計算設計表明：

①結構在承受軌道設計縱向力最大值10.6 MN的情況下，橋面位移量為2.98 mm，滿足設計要求。

②應用有限元法得到非桿件結構的彈性應力圖形后求得配筋，保證結構配筋的合理。

③應用有限元法精確計算出每根樁基頂外力，保證了樁基、承臺設計的準確與合理性。

目前，設置無縫線路固定端刺橋梁結構已建成通車，運營情況良好。

[1]TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

[2]葉見曙.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2007

[3]孫訓方,方孝淑,等.材料力學[M].北京：高等教育出版社，1998

[4]過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學出版社，2003