鐵路鋼橫梁框架墩設計影響因素分析

王 君

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

0 引言

近年來，我國高速鐵路、公路等基礎設施建設如日中天，線路規劃網越來越密集。由于既有道路、管線錯綜復雜，在新建鐵路橋梁建設中，相交線在平面上發生沖突的問題越來越多。這種情況下無法采用普通獨柱墩，為了不影響下方線路的運營，常在設計中利用框架墩結構來解決新建線小角度跨越鐵路干線、高等級道路或復雜管線等的問題。本文將著重對鋼橫梁框架墩結構和基礎設計影響較大的一些因素進行分析研究。

1 框架墩方案

框架墩結構具有布置靈活、跨越能力強、施工方便等優點[1]。在選定框架墩方案時，首先應考慮該設計軌面高度下，框架墩的橋下凈空和跨度是否能滿足所跨鐵路干線或高等級道路的建筑限界要求[2,3]。根據材料類型，常見框架墩可分為預應力混凝土橫梁框架墩和鋼橫梁框架墩[4]。跨越公路時建筑限界示意圖見圖1。

根據所跨越的建筑限界要求初步確定框架墩的墩高和橫梁跨度后，進行框架墩設計。由于框架墩為超靜定結構，設計時需考慮基礎不均勻變位、溫度變化、混凝土收縮、徐變等的影響[5]。

2 框架墩設計分析

現以某高速鐵路中一鋼橫梁框架墩為例，對設計中影響結構和基礎設計的幾點因素作分析說明。框架墩橫跨22 m，上部梁跨為雙線有砟(32+32)m簡支梁，受線路縱斷面控制，總墩高10 m。跨越鐵路時建筑限界示意圖見圖2。

2.1 模型

采用Midas Civil有限元軟件建立鋼橫梁框架墩模型，如圖3所示。

2.2 基礎剛度影響研究

框架墩結構對基礎約束條件十分敏感，左、右柱基礎有時按同樣的地質資料設計，基礎剛度難以準確模擬。模擬約束較實際強時，橫梁設計不安全，同時立柱和基礎設計較困難；模擬約束較實際弱時，情況正相反，橫梁設計困難而立柱和基礎的設計不安全[2]。

圖4，圖5為主+附工況下，左右墩柱柱頂和柱底在不同基礎剛度作用下的截面內力變化趨勢圖。可以看出，隨著基礎剛度的增大，墩柱截面的軸力值逐漸變小，但數值較穩定，減小速率不明顯，而截面彎矩值陡然增大，2倍基礎剛度下的墩底軸力值約為0.5倍基礎剛度的0.97倍，而彎矩值達1.75倍。

由此可見，基礎約束模擬的強弱對結構自身和基礎設計有著直接的影響。通常為結構安全性以及耐久性考慮，框架墩結構設計時，對基礎剛度進行多次反復迭代試算，對基礎樁長穩定之后的基頂約束剛度值乘以系數進行包絡設計，小剛度控制橫梁變形及剛度等，大剛度控制墩柱和基礎的配筋[6]。

2.3 墩高影響研究

當以較經濟的線路縱斷面高度跨越既有線路時，受建筑限界控制，框架墩墩高往往很矮，墩高越小結構整體剛度越大，對溫度作用和沉降等則更敏感[7]。

為明確墩高對設計的影響，仍以該墩為例，在1倍基礎剛度約束作用及其他邊界條件均不變的情況，僅改變其墩高，觀察溫度變化、基礎沉降和主+附工況引起的左、右墩柱頂和基頂截面內力(見圖6～圖8)。

不難看出，隨著墩高的變化，基礎變位、溫度變化效應引起的彎矩值變化十分明顯。墩高越小，基頂彎矩值越大。在主+附工況下，由于各種荷載作用的不利效應疊加，墩高10 m的框架墩軸力為墩高20 m的0.88倍，但彎矩值為1.94倍，最大彎矩差值達7 580 kN·m(如圖9～圖11所示)。

可以發現，一定范圍內，框架墩墩高越矮，其剛度越大，溫度效應、沉降等結構產生的影響更加顯著，橫梁與墩柱的剛度比太小，容易出現立柱和基礎設計困難的情況，建議選定框架墩方案時墩全高控制在合理高度范圍。

2.4 施工工藝影響研究

除以上外，施工方法對結構內力產生的影響也不容忽視[8]。現場施工中，既可以在吊裝完成鋼橫梁后直接灌注節點混凝土，也可以先將鋼橫梁吊裝至柱頂，待上部梁跨架設完成后灌注節點混凝土，完成橫梁和墩柱固結[9]。

圖12～圖15對比了以上兩種施工方法施工完成后，框架墩墩柱截面的恒載工況下內力。

可以看出，兩種施工方法完成的框架墩結構，在運營工況下墩柱截面軸力基本一致，但彎矩值差別很大。墩柱、橫梁固結后再架梁的施工工藝下框架墩墩頂、墩底截面彎矩均更大，這是由于鋼橫梁跨越能力強，跨度通常較大，架梁過程中橫梁與墩柱頂節點處會產生較大恒載彎矩，而在橫梁與墩柱鉸接的狀態下，鋼橫梁以受壓為主，節點處布置有臨時支座，可以釋放節點處彎矩。

因此，雖然先鉸接再固結的方法施工時相對較為繁瑣，仍建議一般的鋼橫梁框架墩優先采用該施工工藝[10]。

3 結論

1)基礎剛度的強弱直接影響框架墩結構設計計算，由于基礎約束模擬無法達到高準確性，因此通常選擇包絡設計以保證結構的安全耐久。

2)框架墩墩高越小，整體剛度越大，溫度變化作用、基礎變位等對其產生的影響也越大，因此建議選定框架墩方案時其墩高不要太小，使墩柱與橫梁剛度比控制在合理高度范圍，以免墩柱和基礎設計困難。

3)一般的鋼橫梁框架墩建議采用橫梁與墩柱先鉸接，架梁完成或二期鋪裝再墩梁固結，這樣可以有效釋放節點處恒載產生的橫向彎矩，對結構受力有利。