客貨共線大跨度預應力混凝土框架墩設計分析

梁　磊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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客貨共線大跨度預應力混凝土框架墩設計分析

梁磊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Analysis of Passenger and Freight Railway Long-span Pre-stressed Concrete Portal Pier Design

LIANG Lei

摘要以東北某跨管線框架墩為例，對預應力混凝土框架墩整體設計進行介紹，對不同基礎剛度條件下荷載引起的內力進行對比分析，并對預應力混凝土框架墩設計要點進行總結。

關鍵詞鐵路橋梁框架墩預應力混凝土基礎剛度

1概述

框架墩在布置上非常靈活，在經濟上和工期上有一定優勢，當線路需要跨越鐵路干線、高等級道路或管線等情況下，不可避免地需要采用框架墩。根據材料不同可將框架墩分為兩種：預應力混凝土橫梁框架墩和鋼橫梁框架墩。考慮到經濟因素、后期維護及景觀效果，在滿足施工條件情況下，應優先選用預應力混凝土橫梁框架墩。

從結構類型上，根據橫梁和立柱連接方式不同可將預應力混凝土框架墩分為橫梁與立柱鉸接，橫梁與立柱固接，橫梁與立柱先鉸接后剛接三種。

1.1預應力混凝土橫梁與立柱鉸接

橫梁下方設置支座，此種連接方式，受力模式較為明確，橫梁通過支座僅向立柱傳遞豎向力和少部分水平力，立柱為承受以豎向荷載為主的壓彎構件。采用簡支結構假設簡單，不存在體系轉換，但此種連接方式下，上部結構主梁與框架墩橫梁鉸接，后橫梁與框架墩立柱鉸接，結構整體性較差，后期支座檢查工作復雜。且框架墩立柱不參與彎矩分配，橫梁跨中位移、彎矩較大，混凝土立柱對整體豎向剛度沒有貢獻，造成所需框架墩橫梁剛度較大，橫梁高度大，故此種連接方式框架墩雖設計簡單，但較少采用。

1.2預應力混凝土橫梁與立柱固接

橫梁在梁端部與混凝土立柱固結形成整體，減小了預應力混凝土橫梁的跨中位移和彎矩，混凝土立柱對整體豎向剛度有貢獻，有利于橫梁結構高度的降低。立柱參與整體共同受力，需配置較強的普通鋼筋。和第一種連接方式相比，橫梁結構高度減小，經濟性優于鉸接方式。

1.3預應力混凝土橫梁與立柱先鉸接后剛接(橫梁預制)

立柱施工至某一高度，在立柱頂端設置臨時支座，并留有后澆段，橫梁吊裝就位。完成上部結構施工后設置豎向預應力筋與立柱固結，并澆筑后澆段，實現墩梁固結。與一次固結方式相比，此種方法存在體系轉換，雖然能降低立柱頂的彎矩，減小立柱截面和配筋量，但施工工序較為復雜，且豎向預應力筋施工質量難以保證。

設計中需根據荷載、施工條件等綜合考量。本項目選定橫梁與立柱連接方式。

2應用實例

2.1橋墩概況

該框架墩為吉琿線吉林樞紐西環線九站特大橋跨越中石油的天然氣管道及成品油管道設置。線路設計速度：客車120 km/h，貨車80 km/h。框架墩處線路情況為有砟軌道，單線、直線無聲屏障地段。橋址處地震基本烈度為Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

2.2結構描述

框架墩橫向計算跨度為23 m，橫梁總長為26.1 m。橫梁截面頂面寬4 m，底面寬3.4 m，高2.8 m。立柱截面為2.8 m×2.5 m，設置0.25 m圓角，墩高為15.5 m，橫梁及立柱截面如圖1所示。橫梁上部架設32 m單線簡支T梁，框架墩橫梁頂平面布置如圖2所示，上部結構作用在橫梁跨中附近，兩片T梁間的橫向支座中心距為2.2 m。為滿足架橋機架橋需要，框架墩橫梁左右兩側各增加0.7 m(寬)×2 m(長)×2 m(高)。橫梁為預應力混凝土結構，預應力筋一次張拉，立柱為鋼筋混凝土結構，采用橫梁、立柱固結形式。

圖1　橫梁與立柱斷面(單位：mm)

圖2　框架墩墩頂平面布置(單位：mm)

2.3結構計算

采用MIDAS Civil2015建立空間梁單元有限元模型，采用B89程序計算出下部結構剛度后，以節點彈性支承形式加載模型邊界條件，各荷載工況按照實際位置施加。橫梁和立柱共離散為52個梁單元，圖3為所建立的模型。

圖3　框架墩計算模型

根據實際受力情況計算，采用的荷載組合如下。

組合1:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降;

組合2:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風荷載+制動力+升溫+日照溫差;

組合3:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風荷載+制動力+降溫+日照溫差;

組合4:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風荷載+制動力+升溫;

組合5:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+縱向風荷載+制動力+降溫;

組合6:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風荷載+升溫+日照溫差;

組合7:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風荷載+降溫+日照溫差;

組合8:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風荷載+升溫;

組合9:恒載+單線活載+橫向搖擺力+不均勻沉降+橫向風荷載+降溫;

組合10:恒載+兩股鋼軌伸縮力;

組合11:恒載+一股鋼軌伸縮力+另一股鋼軌斷軌力。

(1)不同基礎剛度條件下結構彎矩分析

為保證結構安全、耐用，設計橫梁時，基礎剛度采用程序計算出的剛度，設計立柱配筋、樁長和樁基配筋時采用基礎剛度的3倍。表1、表2為基礎剛度分別為1倍與3倍時各主要荷載引起的結構彎矩。

對比表1、表2可知，采用3倍基礎剛度時，由結構自重、T梁自重、二期荷載、列車活載、橫向風力引起的橫梁跨中彎矩與1倍基礎剛度下的跨中彎矩相比均減小。

表1　1倍基礎剛度下各荷載作用引起的結構彎矩　kN·m

表2　3倍基礎剛度下各荷載作用引起的結構彎矩　kN·m

對于鋼筋混凝土立柱，與1倍基礎剛度下的彎矩相比，3倍基礎剛度下各荷載作用引起的柱頂、柱底處彎矩均增大。由結構自重、T梁自重、二期荷載、列車活載、頂底板溫度T度引起的柱底處彎矩為1倍基礎剛度下墩底彎矩的4倍左右。由整體升降溫引起的柱底彎矩為1.74倍，由立柱基礎不均勻沉降引起的墩底彎矩為1.14倍。可見基礎剛度對框架墩橫梁與立柱固結處及柱底處彎矩影響很大。

采用1倍基礎剛度時，立柱基礎不均勻沉降和溫度力作用引起的柱頂彎矩占柱頂處總彎矩的28%，引起的柱底彎矩占柱底處總彎矩的82%左右。采用3倍基礎剛度時，立柱基礎不均勻沉降和溫度力引起的柱頂彎矩占柱頂處總彎矩的30%，立柱基礎不均勻沉降和溫度力引起的柱底彎矩占墩底處總彎矩的81%。可見立柱基礎不均勻沉降和溫度力對框架墩橫梁與立柱固結處及墩底處彎矩影響很大。

(2)橫梁計算結果及分析

框架墩橫梁為全預應力結構，計算采用1倍基礎剛度各荷載組合下的橫梁截面計算結果。由豎向靜活載引起的橫梁跨中處撓度為-1.929 mm，考慮活載沖擊系數時撓度為-2.315 mm，靜活載撓度為橫梁跨度的1/9 935，滿足規范要求。

運營階段橫梁各工況下截面安全系數如表3所示。

表3　橫梁正截面強度檢算結果

運營階段橫梁各工況下截面抗裂系數如表4所示。

表4　橫梁截面抗裂系數驗算結果

經計算，主力作用下橫梁各截面均未出現混凝土拉應力，最大混凝土壓應力為6.97 MPa。主加附狀態下，各截面均未出現混凝土拉應力，最大混凝土壓應力為8.37 MPa。

(3)立柱計算結果及分析

采用3倍基礎剛度下立柱各截面內力進行配筋計算。本設計框架墩橫梁預應力筋一次張拉完成所有鋼束，立柱頂端彎矩大，豎向力小，截面配筋控制工況為張拉預應力筋階段，控制截面為墩頂截面。主筋采用直徑25 mm螺紋鋼筋，鋼筋最大拉應力為151.5 MPa，計算得混凝土裂縫為0.12 mm。

(4)基礎計算

根據MIDAS計算所得承臺底反力，采用B89程序進行群樁設計。樁基采用6根1 m樁基，樁長為29 m，主加附工況下控制樁長，最大樁頭力為3 795 kN。承臺尺寸為5.1 m(寬)×7.8 m(長)×2.5 m(高)。承臺滿足剛性角，配筋滿足構造要求即可。

3設計要點

3.1確定合理的結構尺寸

框架墩尺寸往往受到所跨鐵路干線或高等級道路限界限制，除此之外還需考慮支座在框架墩橫梁的位置、左右立柱的高差、橫梁預應力布置及美觀等因素。采用橫梁與立柱固結方式時，還要重點考慮選取合理的橫梁和立柱剛度比，否則就會帶來預應力配筋困難，結構內力、變形較大，安全系數過大、過小等問題。如果假定尺寸達不到理想效果，應重新調整截面尺寸和基礎參數，直至得到滿意的效果為止。

3.2確定計算荷載

框架墩橫梁，立柱，樁基的設計荷載包括恒載、列車活載及溫度力等。預應力混凝土框架墩為超靜定結構，立柱基礎不均勻沉降對框架墩橫梁與立柱固結處及墩底彎矩值影響很大。為保證結構安全，根據以往經驗，采用柱樁基礎時，基礎不均勻沉降按5 mm計算，采用鉆(挖)孔樁基礎時，不均勻沉降按10 mm計算。

3.3預應力布置

預應力鋼束一般布置為2～3層，轉折點布置于支座附近。為保證下層預應力筋張拉時，即使混凝土迸裂，也不會對上層預應力筋產生影響，下層預應力鋼束圓弧的起止點設在上層預應力束起止點的靠近橫梁兩端側。值得一提的是框架墩橫梁重量較小的情形，施工過程中，上部結構架設前，若預應力束采取一次張拉的方式，則立柱頂端彎矩過大，豎向力太小，造成立柱配筋困難。因此多采用分批張拉的方式，在上部結構架設前，張拉一批預應力束，架設完成后，張拉余下的預應力束。考慮運架梁情況(運架梁荷載較大)，為保證運梁車可連續工作，而不是架完一孔梁后等待張拉第二批預應力筋，應盡量在滿足立柱配筋要求的情況下，預應力束一次張拉或第一批多張拉一些。預應力筋的布置需經過多次試算，以達到最合理利用。

3.4邊界條件的處理

框架墩為超靜定結構，對基礎約束條件非常敏感。若模型基礎剛度大于實際剛度，則橫梁分配彎矩小于實際彎矩，橫梁設計偏不安全。反之立柱、基礎分配彎矩小于實際彎矩，立柱、基礎設計偏不安全。因此，應準確模擬基礎實際剛度。檢算立柱和基礎設計時，在此基礎上對剛度取值乘以一個系數，以便使立柱和基礎設計安全、耐久。同時根據框架墩所在處的地質情況，計算出各地層地基系數m值取最大、最小值時得到的基礎剛度，與模型計算取值進行對比后取最合理值。

3.5立柱配筋

6度以上的地震區，立柱配筋計算需考慮地震作用。多遇地震作用下，橋墩抗震計算可采用反應譜法。罕遇地震作用下可按《鐵路工程抗震設計規范》附錄中簡化方法進行計算，延性驗算應滿足下式要求[5]

式中μu——非線性位移延性比；

[μu]——允許位移延性比，取值為4.8；

Δmax——橋墩的非線性響應最大位移；

Δy——橋墩的屈服位移。

橋墩塑性鉸區域應加強箍筋配置，加強區高度不應小于彎曲方向截面高度的2倍，當塑性鉸區域位于橋墩底部時，加強區高度為截面高度，當墩高與截面高度的比值小于2.5時，應對所有截面進行加強[5]。

4結束語

綜上所述，在框架墩設計工作中，應根據工程需要選用合理的框架墩形式，確定合理的跨徑。根據工程經驗，初擬橫梁、立柱截面尺寸和基礎布置方式，選用1 種以上有限元軟件進行分析計算，經過求解后，評判初擬尺寸是否合理，然后對結構尺寸、預應力束的布置、立柱配筋、基礎形式等進行精調。

參考文獻

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[2]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]

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[4]TB10002—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S]

[5]GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范(2009版)[S]

[6]張士基.重載鐵路大跨度預應力混凝土框架墩設計實例分析[J].鐵道勘察，2014(1)

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[9]張明欣.大跨徑框架墩在跨線橋中的應用[J].公路，2009(7)

[10]孟慶濤.山西中南部鐵路斜交剛構連續梁橋設計[J].鐵道勘察，2013(5)

[11]TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S]

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2016)01-0099-04

作者簡介：梁磊(1986—)，女，2010年畢業于北京交通大學橋梁與隧道工程專業，碩士，工程師。

收稿日期：2015-12-11