鐵路鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩設計研究

余 浪 羅 艷

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.成都理工大學， 成都 610059)

隨著我國鐵路的快速發展，城市內尤其是鐵路樞紐內經常會出現新建鐵路橋梁跨越既有線的情況，此時采用門式墩跨越是一種較為安全、穩妥的方法。目前，鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩越來越被廣泛采用，該組合門式墩的優點是鋼蓋梁較輕，可分段工廠制造，運到橋位拼接成整體后，在鐵路窗口時間一次吊裝到位，施工速度快，對既有鐵路干擾較少，可有效降低施工難度及對運營安全的影響，應用前景非常廣泛。但此類結構為鋼混組合結構，受力復雜，結構細節與普通混凝土門式墩不同，且研究成果較少[1-9]，有必要對其結構形式和受力情況進行研究。

1 基本模型

某單線鐵路橋梁，設計速度200 km/h。梁部采用部頒標準2201系列32 m簡支T梁，采用鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩下跨越既有鐵路，鋼蓋梁中心跨度21 m，墩柱高9 m，鋼蓋梁尺寸2.5 m×2 m(橫×豎)，墩柱尺寸3.5 m×3 m(橫×豎)，鋼蓋梁采用Q345qD，混凝土標號為C35，梁柱兩端固結的組合門式墩構造如圖1所示。

圖1 梁柱固結的組合門式墩構造圖(cm)

采用有限元軟件Midas Civil建立模型，模型選取梁單元，結構承臺底邊界按固結考慮，墩柱連接按實際邊界條件考慮。荷載考慮(1)恒載:自重+二恒；(2)活載:ZKH；(3)溫度:整體升溫30 ℃；(4)地震:場地類別為Ⅲ類，八度地震反應譜(0.2g)。

2 梁柱約束體系

組合門式墩的鋼蓋梁和混凝土柱之間的約束體系主要有兩端固結、一鉸一活動和一固一活動3種方案。

兩端固結方案的鋼蓋梁構造相對復雜，梁柱需當做整體設計。溫度荷載對門式墩影響較大，當墩高1 m時，鋼蓋梁角隅處溫度應力達100 MPa。因此，兩端固結方案不宜在橋墩很矮的情況下采用。

一鉸一活動方案構造簡單，梁柱可分開設計，鋼蓋梁按承受集中力的簡支鋼箱梁設計，混凝土柱按普通橋墩方法設計。溫度荷載只會引起位移變化，無受力變化，適用于任何墩柱高度。

一固一活動方案介于兩者之間，不再進一步分析比較，一固一活動方案適合橫向地形高差較大，一邊墩高一邊墩很矮的情況。

根據基本模型計算兩端固結方案和一鉸一活動方案主力(恒+活)下的應力和活載下的撓度情況，結果對比如表1所示。

表1 方案計算結果對比表

由表1可知，與一鉸一活動方案相比，兩端固結方案鋼梁最大應力減小35%，混凝土應力減小26%，撓度減小60%左右。

綜上所述，梁柱兩端固結方案最優，該方案剛度大，應力水平低，用鋼量較省，鐵路尤其是高速鐵路應優先采用。溫度荷載對梁柱兩端固結方案影響較大，因此，混凝土柱不宜過矮，線路標高不宜距離地面太低，以防導致門式墩設計困難。

3 鋼蓋梁跨高比對門式墩撓度的影響

引入跨高比K1，對梁柱兩端固結的組合門式墩作進一步分析。

K1=L/h

(1)

式中：h——鋼箱高度；

L——鋼箱跨度。

鋼蓋梁一般是剛度控制設計，應力水平可通過加大鋼箱板厚度來滿足要求。根據基本模型，通過變化鋼蓋梁鋼箱高度來調整跨高比，分析跨高比對撓度的影響，得出活載作用下撓度與跨高比的關系曲線如圖2所示。

圖2 活載下豎向撓度與跨高比的關系曲線圖

從圖2可以看出，鋼蓋梁最大撓度隨跨高比的減小而減小，并逐步趨于穩定，考慮到鋼蓋梁撓度還需與梁部撓度疊加，鋼蓋梁最大撓度宜在毫米級以內，跨高比取值范圍7～10，可有效控制鋼蓋梁最大撓度。列車時速越高，跨高比取值應越小。

4 混凝土柱高寬比對門式墩受力的影響

引入混凝土柱高寬比K2，對梁柱兩端固結的組合門式墩作進一步分析。

K2=H/b

(2)

式中：H——混凝土柱高度；

b——混凝土柱受力方向寬度。

根據基本模型，通過變化混凝土柱高度來調整高寬比，由于墩頂軸力小，墩底軸力大，墩頂彎矩可能控制墩柱設計，設計時需重點關注。

4.1 高寬比對主力的影響

研究高寬比對主力的影響，得出主力下的彎矩效應與高寬比的關系曲線如圖3所示。

圖3 主力下梁柱彎矩與高寬比的關系曲線圖

從圖3可以看出，鋼蓋梁和墩頂彎矩數值變化不大，高寬比的變化對鋼蓋梁和墩頂影響不大，墩底彎矩均未超過墩頂彎矩，墩頂彎矩控制設計。墩底受高寬比影響較大，高寬比為3時，墩底彎矩處于最小值，高寬比>2時，墩底彎矩可維持在較低水平。隨著高寬比增大，鋼蓋梁和墩頂彎矩均緩慢減小。

4.2 高寬比對溫度荷載的影響

分析高寬比對溫度荷載的影響，得出溫度荷載下的彎矩效應與高寬比的關系曲線如圖4所示。

圖4 溫度荷載下梁柱彎矩與高寬比的關系曲線圖

從圖4可以看出，鋼蓋梁彎矩數值變化不大，高寬比的變化對鋼蓋梁影響不大。溫度對墩底彎矩影響較大，高寬比較小即橋墩較矮時，墩頂彎矩較大，相應的角隅處及鋼混結合段受力較大。高寬比>3時，墩頂彎矩可維持在較低水平，高寬比為1～2時，墩底彎矩數值最高，高寬比>3后，彎矩迅速減小。

4.3 高寬比對地震力的影響

研究高寬比對地震力的影響，計算罕遇地震下梁柱彎矩，得出地震力下的彎矩效應與高寬比的關系曲線如圖5、圖6所示。

圖5 橫向罕遇地震力下梁柱彎矩與高寬比的關系曲線圖

圖6 縱向罕遇地震力下梁柱彎矩與高寬比的關系曲線圖

從圖5、圖6可以看出，鋼蓋梁及墩頂彎矩數值較低，且變化不大。隨著高寬比變大，墩頂彎矩在橫向罕遇地震力作用下逐漸加大，縱向罕遇地震力作用下逐漸減小，高寬比<5時，墩頂彎矩可維持在較低水平。墩底彎矩隨著高寬比的增大而增大。

綜上所述，梁柱兩端固結組合門式墩位于非地震區時，高寬比宜>3且應取高值；位于地震區時，高寬比宜在3～5之間且應取低值。

5 梁柱固結組合門式墩的關鍵部位設計

鋼蓋梁角隅和墩柱鋼混連接部位是梁柱兩端固結組合門式墩兩個非常重要的部位，傳遞荷載較大，傳力機理復雜且局部應力集中。為確保組合門式墩的安全，參考日本及國內公路鋼結構設計細節，進行角隅和墩柱鋼混連接部位的構造設計。

5.1 角隅部位設計

角隅的作用是將鋼蓋梁的荷載順利傳遞到混凝土墩柱上，角隅構造為空間矩形體，構造簡單，傳力清晰。角隅設計的關鍵是各板之間的斷開處理方式，本文提出兩種斷開處理方式：

(1)頂板、腹板和內外豎板連續，底板在角隅內豎板左右斷開，腹板和內豎板均為整板，傳力連續，底板主要受壓。此種斷開方式焊縫數量少，焊接工作量小。

(2)底板連續，腹板和內豎板在底板上下斷開，同時承受拉力和壓力。此種斷開方式焊縫數量多，焊接工作量大。

綜上所述，底板左右斷開的處理方式優點明顯，應優先采用，具體構造如圖7所示。

圖7 角隅構造圖

角隅構造的腹板應在內豎板處倒圓角，其內部六面均設若干倒角加勁肋，與鋼蓋梁和鋼混柱加勁肋對應，可有效減少局部應力。角隅受力復雜，為確保角隅部位傳力勻順，底板與內豎板之間、腹板豎板與頂板之間要求采用融透焊。

5.2 墩柱連接部位設計

墩柱連接部位為鋼混結構，多采用構造成熟的鋼混梁，但組合門式墩有其自身特點，不能照搬，需進一步研究，本文提出兩種連接構造。

5.2.1插入式連接

鋼立柱插入混凝土柱預埋，預埋深度參考JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》[10]，按照不小于1.5倍鋼立柱長邊B控制，混凝土柱寬于鋼立柱50 cm左右，預埋鋼立柱內外表面設置剪力釘，外包的混凝土柱箍筋加強，鋼立柱內部灌注混凝土，如圖8所示。

圖8 插入式連接構造圖

鋼立柱底部依次設置承壓板、預埋鋼板和3層鋼筋網。預埋鋼板底設置鋼筋與混凝土柱相連，并用環氧砂漿找平，鋼蓋梁吊裝到位后，將預埋鋼板和承壓鋼板對齊，并用螺栓擰緊，起到臨時固結的作用。角隅底板還需設置灌注孔，用于灌注鋼立柱內部混凝土。

5.2.2錨栓式連接

(1)構造形式

錨栓式連接構造從上至下依次為錨栓支承托座、承壓板、錨栓和預埋角鋼骨架，如圖9所示。錨栓支承托座設置在鋼立柱兩側，在錨栓周圍采用若干加勁板來傳遞錨栓力；承壓板設置在鋼立柱底部，承壓板鋪設3層鋼筋網，并用環氧砂漿找平；錨栓下端預埋在混凝土柱內，上端錨固在錨栓支承托座上，下端設置若干角鋼形成骨架。

圖9 錨桿式連接構造圖

錨栓上端采用雙螺母，擰緊后點焊。為提高外漏錨栓的耐久性，可在防腐后將錨栓螺母和支承托座用混凝土外包密閉。錨栓需后張預拉力，為了保證預壓力的有效傳遞，可在澆筑混凝土墩柱前，在螺桿表面涂抹黃油并纏繞玻璃布，以實現和混凝土之間的無粘結連接。

(2)錨栓計算方法

選取40Cr材質、10.9S級錨栓，按抗拉極限力的35%預加張拉力。錨栓拉力計算公式為:

(3)

式中:Nmax——單個錨栓最大軸力(kN)；

N——最不利工況下立柱鋼混面軸力(kN)；

M——最不利工況下立柱鋼混面彎矩(kN)；

[N]——錨栓預張拉力(kN)；

n——錨栓總個數；

zi——各錨栓到鋼立柱中心距離。

錨栓僅承受拉力，抗剪由鋼混面摩擦力抵抗，計算公式為:

V≤[V]=0.4([N]-Nmax)

(4)

式中:V——最不利工況下立柱鋼混面剪力(kN)。

按上述公式計算，承壓板能保證全截面受壓，承壓板下混凝土最大壓應力為:

σmax=(N+n[N])/(L×B)×(1+6e/L)≤[σ]

(5)

式中:σmax——承壓板混凝土最大壓應力(kPa)；

L——承壓板長度(m)；

B——承壓板寬度(m)；

e——偏心距，e=M/N；

[σ]——局部承壓容許力(kPa)。

插入式和錨栓式兩種墩柱連接構造均有工程實例。與插入式連接相比，錨栓式連接不需設置鋼混結合段，其構造簡潔，受力明確，施工簡單，用鋼量較省，費用較低。因此，墩柱連接部位推薦采用錨栓式連接。

6 結論

本文對鐵路鋼蓋梁混凝土柱組合門式墩的結構形式和受力情況進行初步分析，得出如下結論。

(1)梁柱兩端固結方案剛度大，應力水平低，用鋼量較省，鐵路尤其是高速鐵路應優先采用。

(2)墩柱兩端固結組合門式墩鋼蓋梁的最大撓度隨跨高比的減小而減小，并逐步趨于穩定，跨高比取值為7～10時，可有效控制鋼蓋梁最大撓度。列車時速越高，跨高比取值應越小。

(3)位于非地震區時，墩柱兩端固結組合門式墩高寬比宜>3且應取高值；位于地震區時，高寬比宜在3～5之間且應取低值。

(4)角隅部位優先采用底板左右斷開的處理方式，該斷開方式傳力連續，底板主要受壓，焊縫數量少，焊接工作量小。

(5)墩柱連接部位推薦采用錨栓式連接，構造簡潔，受力明確，施工簡單，用鋼量較省，費用較低。