新建和若鐵路裝配式橋墩應用研究

李 帥

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

預制裝配技術具有節約模板、占用場地少、施工速度快、施工安全、干擾小、現場澆筑混凝土工作量少、構件質量易于保證、建造過程綠色環保、高效低碳、橋梁全壽命周期成本低等優點[1-7]。裝配式橋墩在我國發展起步較晚，但近些年來，在跨海大橋[8-10]、市政道路[11]、軌道交通[12]等項目中均有應用。

目前，我國鐵路橋梁上部結構已較多使用預制架設技術，大大提高了施工效率和工程質量，但下部結構建造仍以人工綁扎鋼筋、現場澆筑混凝土為主[13-14]，制約著鐵路橋梁工業化、智能化建造水平的提升，開展鐵路預制拼裝橋墩技術研究勢在必行[15]。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建和田至若羌鐵路線路全長825.5 km，橋梁全長84 km，占線路總長的10.2%。其中，預應力混凝土簡支T梁占比95%以上。

全線橋梁墩高較低，墩高≤12 m的橋墩約占70%，墩高≤10 m以下橋墩共1 187個，墩高10～12 m橋墩共247個，墩高12～15 m橋墩共666個。

1.2 線路標準

鐵路等級：Ⅰ級。

正線數目：單線。

活載：ZKH活載。

設計速度：160 km/h。

最小曲線半徑：1 600 m。

地震烈度：地震動峰值加速度值為0.05g～0.15g，反應譜特征周期為0.40～0.45 s。

1.3 線路特點

本線位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，降雨量小，蒸發量大，屬于極度干旱地區。惡劣的天氣和特殊的環境給橋梁現場施工帶來困難，養護條件差，工程質量不易保證。

預制裝配式橋墩可較好地克服沙漠地區混凝土澆筑養護條件難的問題，因此，擬在和若鐵路開展裝配式橋墩應用研究。

2 結構形式方案比選

2.1 結構體系

以15 m墩高為例，對比分析單柱式、雙柱式橋墩兩種結構體系。

綜合考慮樁基承載能力、地震力、剛度、承臺質量、樁基長度等因素，經試算對比，兩種方案均采用8根φ0.8 m的樁基布置形式，結構尺寸如圖1所示。

圖1 橋墩結構尺寸(單位：cm)

兩種方案混凝土量、墩身節段數量、吊裝質量如表1所示。

表1 單柱墩和雙柱墩方案對比

由表1可以看出，兩種方案各部位混凝土用量接近，但由于墩身分段、連接方式的不同，造成施工難易程度不同。雙柱墩方案墩身整體吊裝，避免了墩身節段之間的連接，該方案能更好地滿足輕型化、易裝配設計理念。因此，推薦采用雙柱式橋墩方案。

2.2 墩身截面形式

空心墩、實體墩是常用的橋梁墩型，其優缺點對比如表2所示。

表2 空心墩、實體墩優缺點對比

結合兩者的優缺點，考慮節省吊裝設備，工廠預制可采用離心工藝來提高空心墩墩身混凝土質量，故推薦采用空心墩方案。

常用的墩身截面有圓形和方形截面[16]，在直徑與邊長相等的情況下，圓形截面圬工量小，且方形截面需倒角，增加了工廠制造難度，故推薦采用圓形截面。

綜上，本線裝配式橋墩推薦采用圓形雙柱式空心橋墩方案。

3 空心墩實體段

3.1 墩底實體段

建立Midas實體單元模型，對比分析3種墩底實體段情況：不設置實體段、實體段高1.0 m和1.5 m，在主力和主力+附加力作用下的應力如表3所示。

表3 不同實體段高度橋墩應力

由表3可以看出：在主力作用下，墩身受力基本相同；在主力+附加力組合作用下，隨著實體段高度的增加，墩底豎向拉應力逐漸增大。

主力+附加力作用下墩底應力云圖如圖2所示。

圖2 主力+附加力作用下墩底應力云圖

此外，墩底設實體段，主力作用下使橋墩應力幅度減小，應力均勻性有所提高。

3.2 墩頂實體段

采用Midas實體單元模型對比3種墩頂實體段情況：不設實體段、實體段高0.5 m和1 m。主力+附加力作用下墩頂應力云圖如圖3所示。

圖3 主力+附加力作用下墩頂應力云圖

由圖3可以看出，隨著墩頂實體段高度的增加，墩頂應力逐漸減小，應力趨于均勻。但增加實體段，會使蓋梁跨中拉應力增大，實體段高度對蓋梁應力影響較小。蓋梁應力如表4和圖4所示。

表4 不同實體段高度蓋梁應力

綜上所述，裝配式橋墩墩底設置實體段，墩頂不設實體段。

4 構件連接方式

節段拼裝橋墩因構造方式不同，其力學特征和常規現澆橋墩存在差異。按照接縫構造特點分類，常用的拼裝接頭形式有濕接縫連接、灌漿套筒連接、后張預應力連接[17]，其優缺點如表5所示[18-19]。

表5 常用接縫形式比較分析

經綜合對比各種連接方式的優缺點，采用后張預應力淺槽連接[20]：蓋梁、墩身及承臺通過預應力鋼束連接，錨固端預埋在承臺內，橋墩安裝定位后，于蓋梁頂張拉預應力鋼束；承臺在施工過程中，與墩身處預留深15 cm的淺槽，鋼束張拉完畢后，淺槽內灌注微膨脹混凝土。

鋼束平面、立面布置如圖5、圖6所示。

圖5 預應力鋼束平面布置

圖6 預應力鋼束立面布置

5 靜力分析

5.1 剛度

為了滿足列車行車安全性和乘車舒適度的需要，鐵路工程對橋墩剛度有較高要求。本項目裝配式橋墩線剛度如表6所示。

表6 裝配式橋墩線剛度

由表6可知：預制裝配式橋墩由于結構尺寸減小，與現行橋墩部頒參考圖相比，剛度略小，但也足以滿足規范要求。

5.2 變形

采用Midas有限元軟件，針對本項目裝配式橋墩，建立線單元模型計算常規荷載作用下水平位移，建立實體單元模型計算溫度力作用下水平位移。

縱向位移考慮2種荷載工況，不同墩高墩頂縱向位移如表7所示。

表7 墩頂縱向位移

橫向位移考慮以下兩種工況。

組合工況一：恒載+豎向靜活載+離心力+橫向搖擺力+風荷載；

組合工況二：恒載+豎向靜活載+離心力+橫向搖擺力+0.4風荷載+0.5溫差。

不同墩高墩頂橫向位移如表8所示。

表8 墩頂橫向位移

由表7和表8可以看出，橋墩縱、橫向變形滿足規范要求。

5.3 溫度應力

在寒潮溫差、升溫加太陽輻射溫差作用下，橋墩墩身應力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 升溫溫差+太陽輻射作用下應力云圖(單位：MPa)

圖8 寒潮溫差作用下應力云圖(單位：MPa)

由圖7、圖8可知，升溫加太陽輻射溫差作用下，外側混凝土膨脹受到內側混凝土的制約而受壓，內側混凝土受拉。寒潮溫差作用下則相反，外側混凝土受拉，內側混凝土受壓。

不同墩高對應的橋墩應力如表9所示。

表9 橋墩溫度應力

5.4 預加力

與部頒參考圖《通橋(2017)4103》相比，預制裝配橋墩尺寸及剛度減小，為保證其運營中的剛度，應避免橋墩截面受拉而導致混凝土退化，致使剛度進一步減小，需使橋墩受力為小偏心受壓，保證全截面受壓。

在運營荷載作用下，橋墩屬于大偏心受拉，因此需張拉預應力筋施加預應力，使橋墩滿足小偏心受壓的要求。橋墩所需預加力是常規力和溫度力之和，橋墩預應力鋼束配置如表10所示。

表10 橋墩預應力配置

5.5 墩身應力

主力+預加力、主力+預加力+附加力作用下，橋墩混凝土應力如表11、表12所示。

表11 主力+預加力作用下橋墩應力

表12 主力+預加力+附加力作用下橋墩應力

由表11、表12可知，在主力+預加力、主力+預加力+附加力作用下，橋墩混凝土應力均滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》要求(橋墩采用C50混凝土)。

5.6 穩定性

建立Midas屈曲計算模型，在主力+橫向附加力作用下，橋墩一階屈曲形態為縱向彎曲，屈曲安全系數為39.6，二階屈曲模態為橫向偏移，屈曲安全系數為71，屈曲模態如圖9所示。

圖9 屈曲模態

5.7 抗震分析

多遇地震作用下，橋墩墩柱地震力及檢算如表13所示。

表13 地震作用下內力檢算

由表13可知，多遇地震作用下，橋墩處于彈性小偏心受壓狀態，全截面受壓。

6 動力性能分析

6.1 車-橋耦合振動分析

通過基于多體系統動力學和有限元結合的聯合仿真技術對預制裝配式橋墩簡支梁橋進行了車-橋耦合振動分析，得出如下結論。

(1)當CRH2列車以120～160 km/h(設計速度)、180～200 km/h(檢算速度)通過橋梁時，橋梁的動力響應均在容許值以內，列車豎、橫向振動加速度均滿足限值要求，列車的乘坐舒適性能達到規定的“良好”標準以上。

(2)當C70貨車以80～100 km/h(設計速度)、110～120 km/h(檢算速度)通過橋梁時，橋梁的動力響應均在容許值以內，列車橫、豎向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性能滿足要求，列車的運行平穩性達到“合格”標準以上。

6.2 風-車-橋耦合振動分析

通過對預制裝配式橋墩簡支梁橋進行風-車-橋耦合振動分析，得出以下結論。

(1)當橋面平均風速不超過25 m/s時，CRH2列車以120～160 km/h(設計速度)、180～200 km/h(檢算速度)通過橋梁時，橋梁及列車的動力響應各項指標均滿足要求，可正常行車。

(2)當橋面平均風速達30 m/s時，CRH2列車以120～160 km/h通過橋梁時，橋梁及列車的動力響應各項指標均滿足要求；以180～200 km/h通過橋梁時，橋梁的動力響應均滿足各項指標，列車的輪重減載率不滿足要求，若將160 km/h作為檢算車速，按照1.2倍外延系數反算，則安全運營速度約為130 km/h。

(3)當橋面平均風速不超過25 m/s時，C70貨車以80～120 km/h通過橋梁時，橋梁及列車的動力響應各項指標均滿足要求，可正常行車；當橋面平均風速達30 m/s時，C70貨車以120 km/h通過橋梁時，列車的運行平穩性未能夠達到規定的“合格”標準以上，但考慮到此時的強風作用屬于小概率事件，列車的走行性以安全性指標為主，列車的乘坐舒適度或運行平穩性可不作為強制指標，故也可以正常行車。

綜上，列車在強風作用時通過該橋的安全運營車速達到日本及我國相關規范對列車遇大風行車限速的相關規定，表明其具有足夠的剛度。

7 結語

預制拼裝技術是未來鐵路橋梁建造技術發展的新方向。裝配式橋墩在和若鐵路極端復雜的建設條件下，能夠較好地保證施工速度和施工質量，符合低碳環保的建設要求，具有獨特的優越性。

和若鐵路裝配式橋墩已于2019年開始施工，預計于2022年6月建成投入使用。隨著裝配式橋墩應用于和若鐵路等鐵路工程項目，相關技術將不斷發展完善，我國鐵路橋梁的工業化水平也將邁上一個新臺階。