鐵路大跨門架墩結(jié)構(gòu)受力分析

高 黨 利

(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著現(xiàn)代交通日益發(fā)展，道路交叉不可避免，如公鐵交叉、城市互通立交等。當(dāng)夾角較小、空間有限時(shí)，要滿足限界和施工安全距離，上跨橋梁跨度一般很大，上部結(jié)構(gòu)可選擇跨越能力大的鋼結(jié)構(gòu)或者連續(xù)剛構(gòu)，但工程造價(jià)高，對(duì)道路展線空間要求大，另一種解決方案就是門架墩跨越，上部結(jié)構(gòu)可選擇常規(guī)跨徑，既可縮短工期，又能減少投資。

1 結(jié)構(gòu)概述

本項(xiàng)目門架墩為鐵路上跨某主干道而設(shè)，道路寬19.0 m，與鐵路夾角37°，為了減小門架墩跨徑，順著道路布置，對(duì)于鐵路來(lái)講屬于斜交設(shè)置，如圖1所示。門架橫梁計(jì)算跨徑30.5 m，橫梁采用矩形截面，寬4.5 m，高2.5 m。門架墩下部采用墩柱接承臺(tái)接樁基形式，墩柱采用矩形截面，順路向?qū)?.5 m，橫路向?qū)?.5 m。承臺(tái)順路寬7.6 m，橫路寬5.8 m。每個(gè)承臺(tái)下布置6根樁，樁徑1.0 m，如圖2所示。

門架墩橫梁采用C50等級(jí)混凝土，容重為26 kN/m3，抗彎彈性模量為35 500 MPa，墩柱采用C40等級(jí)混凝土。墩柱中的普通鋼筋主筋采用HRB400，主筋直徑為32 mm，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270 MPa。橫梁預(yù)應(yīng)力筋規(guī)格為15根一束的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=195 GPa，公稱直徑為15.20 mm，其技術(shù)條件應(yīng)符合GB 5224標(biāo)準(zhǔn)。鋼束采用內(nèi)徑90 mm、外徑104 mm的塑料波紋管成孔，采用真空輔助壓漿工藝。張拉千斤頂采用YCW350B型。鋼束摩阻系數(shù)采用0.25，偏差系數(shù)采用0.001 5，錨具變形一側(cè)為6 mm。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

門架墩整體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas Civil有限元程序，門架墩蓋梁的結(jié)構(gòu)類型為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，墩柱、承臺(tái)、樁基采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。蓋梁和墩柱均采用梁?jiǎn)卧M?？紤]樁基是否參與受力，對(duì)這兩種計(jì)算模型進(jìn)行靜力對(duì)比分析。

2.1 有限元模型

1)模型1考慮樁基參與受力。

樁基按照等剛度原則進(jìn)行群樁換算，保證換算桿件桿頂柔度與群樁頂相同，換算為縱橫向門式桿件。計(jì)算模型離散單元數(shù)為68個(gè)，節(jié)點(diǎn)81個(gè)，離散圖見(jiàn)圖3。

2)模型2不考慮樁基參與受力。

按剛性地基假定，將承臺(tái)底端考慮為固結(jié)。計(jì)算模型離散單元數(shù)為60個(gè)，節(jié)點(diǎn)65個(gè)，離散圖如圖4所示。

2.2 主要施工流程

1)搭設(shè)模板，澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土門架墩，混凝土的強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求后，張拉第一批預(yù)應(yīng)力鋼束并灌漿。

2)完成第一批鋼束張拉和灌漿后，分批吊裝兩孔32 m簡(jiǎn)支T梁。

3)吊裝完兩孔預(yù)制梁后，張拉第二批預(yù)應(yīng)力鋼束并灌漿。

4)完成第二批預(yù)應(yīng)力鋼束張拉和灌漿后，可以進(jìn)行鐵路橋面軌道結(jié)構(gòu)、人行道及接觸網(wǎng)柱等二期恒載的施工，最后形成成橋狀態(tài)。

2.3 使用階段信息

結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)規(guī)范要求，門架墩靜力分析考慮的荷載有：結(jié)構(gòu)自重(門架墩自重+鐵路T梁重+二期恒載)、列車豎向靜活載(雙孔重載)、橫向搖擺力、溫度變化作用、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降、列車制動(dòng)力、長(zhǎng)鋼軌縱向力(伸縮力、撓曲力、斷軌力)、架橋機(jī)荷載等。為了模擬列車豎向靜活載、二期恒載等對(duì)門架墩的作用效應(yīng)，將鐵路T梁的支座反力以集中荷載形式作用在門架墩上來(lái)模擬；基礎(chǔ)不均勻沉降只考慮鉛垂位移，沉降采用經(jīng)驗(yàn)值10 mm(如地基巖性差，沉降還需根據(jù)實(shí)際計(jì)算取值)；溫度變化作用考慮上部結(jié)構(gòu)整體升降溫+20 ℃。荷載最不利組合見(jiàn)表1。

表1 荷載最不利組合信息

3 門架靜力分析結(jié)果對(duì)比

根據(jù)施工階段荷載形式，多次調(diào)整預(yù)應(yīng)力張拉批次及控制應(yīng)力以滿足施工階段要求，篇幅有限不再贅述，且只對(duì)比主力+縱向附加力作用下橫梁的正應(yīng)力和墩柱彎矩受力情況，橫梁的強(qiáng)度、主應(yīng)力、撓度計(jì)算、預(yù)拱度設(shè)置、墩柱配筋及裂縫驗(yàn)算不再一一列出。

3.1 考慮樁基參與受力

1)門架墩橫梁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5,圖6。

2)門架墩墩柱計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖5～圖7可知：考慮樁基參與受力，橫梁在主力+附加力作用下，下緣最小正應(yīng)力為1.3 MPa，上緣最大壓應(yīng)力為12.0 MPa，均滿足規(guī)范要求。墩柱為偏壓構(gòu)件，最大彎矩在墩底為34 539.3 kN·m，墩頂最大彎矩為22 684.9 kN·m。

3.2 不考慮樁基參與受力

門架墩橫梁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

此時(shí)橫梁下緣出現(xiàn)1.0 MPa的拉應(yīng)力，需重新調(diào)整配束，以滿足規(guī)范要求。鋼束調(diào)整為16根一束，并調(diào)試鋼束張拉，滿足施工階段橫梁受力規(guī)范要求。調(diào)整后門架墩計(jì)算結(jié)果為：

1)門架墩橫梁計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9，圖10。

2)門架墩墩柱計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11。

由圖8～圖11可知：在不考慮樁基參與受力情況時(shí)，且增加配束后，橫梁在主力+附加力作用下，下緣最小正應(yīng)力為0.7 MPa，上緣最大壓應(yīng)力為12.0 MPa，均滿足規(guī)范要求。墩柱為偏壓構(gòu)件，墩底最大彎矩為175 613.8 kN·m，墩頂最大彎矩為33 822.9 kN·m。

4 結(jié)論

1)墩柱及橫梁截面結(jié)構(gòu)尺寸，除滿足構(gòu)造要求外，還需根據(jù)施工及成橋階段反復(fù)試算合理確定。鐵路對(duì)于橋梁的下部結(jié)構(gòu)剛度要求較大，因此橫梁需采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)注意門架墩結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)分批張拉，防止橫梁在架設(shè)鐵路T梁和鋪裝二期前上拱，導(dǎo)致橫梁上緣裂縫過(guò)大超規(guī)范要求。

3)基礎(chǔ)不均勻沉降及溫度變化作用對(duì)橫梁和墩柱應(yīng)力影響較大，需精準(zhǔn)考慮。

4)對(duì)于地基土巖性較弱的門架墩結(jié)構(gòu)，必須按照考慮樁基參與受力來(lái)設(shè)計(jì)，特別是大跨結(jié)構(gòu)。就如上述計(jì)算結(jié)果，如不考慮樁基參與受力，門架墩墩身配筋會(huì)有墩底配筋過(guò)多，墩頂配筋不足，混凝土開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。橫梁經(jīng)過(guò)調(diào)束后，上拱會(huì)進(jìn)一步加大。

5)樁基剛度對(duì)墩柱內(nèi)力影響非常明顯，墩柱的配筋需考慮樁基參與受力，并結(jié)合施工順序，選取最不利組合時(shí)所產(chǎn)生的墩柱內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果門架墩正交設(shè)計(jì)，還需考慮不等跨時(shí)恒載偏差、單孔重載及制動(dòng)力共同作用下墩柱橫截面的配筋。

6)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮周全，施工時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)執(zhí)行，使設(shè)計(jì)模型與實(shí)際盡可能一致，從而保證門架墩建成后的運(yùn)營(yíng)更安全，更耐久。