铁路桥梁框架墩设计

摘要：某新建铁路特大桥41号墩采用框架墩形式跨越既有准东铁路，本文就该框架墩的内力计算，分别采取midas及Bsas程序建模进行计算及校核，并对横梁、墩柱及桩基检算进行探讨。

关键词：框架墩 横梁 墩柱 桩基

Abstract: a new railway construction super major bridge pier 41 with frame pier form both ZhunDong across railway, this paper the framework of the pier internal force calculation, and Bsas Midas were taken respectively program is calculated and checked modeling, and the beams, pier column and pile foundation inspection is discussed in this paper.

Keywords: framework pier beam pier column pile foundation

中图分类号：S611 文献标识码：A文章编号：

一、概述

（一）项目概况

某新建铁路等级为国铁I级，设计时速120km/h，预留160km/h条件，为双线铁路。此新建铁路特大桥与准东双线铁路斜交35°，原设计采取一联（48+80+48）m连续梁跨越既有准东铁路，现受工期制约较大，故该桥变更为40、41号墩采用框架墩形式跨越准东双线，上部结构为（16+24）m不等跨预应力混凝土简支梁。

（二）墩部构造

框架墩横梁部分采用预应力结构，其余部分均采用钢筋混凝土结构。横梁高2.6m，与墩柱相接的部分加厚至3.1m；墩柱截面型式为280x280cm矩形，墩柱间距为25.5m，41号墩柱左侧高为13m，右侧高为17m；承台高3.0m，截面型式为6.6x6.6cm矩形；桩基各为4根1.5m钻孔灌注摩擦桩，桩长分别为29m和31.5m。具体见图1.

图1框架墩立面图

（三）建筑材料选用

1.混凝土

横梁及墩柱顶面以下1.5m范围内采用C50混凝土，墩柱部分采用C40混凝土承台及桩基部分采用C30混凝土。

2.预应力

2.1钢绞线：采用低松驰高强预应力钢绞线15-Φj15.24 和17-Φj15.24；

2.2预应力筋管道：采用Φ内100mm塑料波纹管。

2.3普通钢筋：

HPB235级钢筋应符合《钢筋混凝土用钢第一部分：热轧光圆钢筋》（GB 1499.1）、HRB335级钢筋应符合《钢筋混凝土用钢第二部分：热轧带肋钢筋》（GB 1499.2）。

二、主要设计技术标准

1.设计活载: ZH活载。

2.恒载：

框架自重：横梁混凝土容重：γ=26.5KN /m3；墩柱及承台混凝土容重：γ=25.0KN /m3。

上部结构恒载：按小里程侧16m梁设计，大里程侧24m梁设计。

2.1二期恒载+梁重：

每个支座竖向力为1559.7KN，弯矩为-11.89 KN.M。

2.2横梁顶帽梁加高部分：竖向力R1=18.55 KN/m，弯矩为-14.84 KN.M。

3.列车活载：

冲击系数：1+12/（30+16）=1.26。

单孔重载情况：每个支座竖向力R为871.56KN，弯矩M为217.89 KN.M。

双孔重载：每个支座竖向力R为1240.72KN，弯矩M为-190.664 KN.M。

4.混凝土收缩徐变、预应力设计参数：按相关规范执行。

5.计算温度荷载：系统升温25°，降温30°。

6.支座沉降按1cm考虑。

7.制动力或牵引力：考虑任意一线满载时的制动力。

8.横向摇摆力：考虑100kN的横向摇摆力。

9.风荷载：横向考虑列车风荷载和梁体风荷载，纵向考虑帽梁风荷载。

10.地震力：分多遇和罕遇地震按反应谱理论施加，特征周期0.35s，多遇地震峰值加速度为0.04g，罕遇地震峰值加速度为0.21g。

11.无缝线路长钢轨力：伸缩力、挠曲力、断轨力。

12.考虑增建二线活载土压力。

三、结构模型建立及结构检算

共分51个单元，54个节点，其中梁单元33个，墩柱单元18个。墩梁固结处采用刚性连接处理，考虑1.5m自由桩长。

（一）荷载组合

组合Ⅰ：主力=自重＋二期恒载＋预加力+收缩徐变+列车活载（恒载形式加载）+支座沉降+横向摇摆力

组合Ⅱ：主力=恒载+4股钢轨作用在桥梁的伸缩力

组合Ⅲ：主力+附加力，其中附加力包括：整体升、降温，制动力或牵引力，风荷载

组合Ⅳ：主力+地震力，其中活载为单线静活载，地震力为有车地震力和无车地震力的包络。

（二）计算简图：

1.模型图2.离散图

（三）横梁计算

横梁控制截面的应力、强度等情况见表1：

表1横梁控制截面的应力、强度

荷载组合 上缘最大Mpa 上缘最小Mpa 下缘最大Mpa 下缘最小Mpa 最大剪应力Mpa 最大主应力Mpa 最小主应力Mpa 强度安全系数 抗裂安全系数

主力 9.76 2.86 6.14 1.24 0.95 10.17 -0.4 2.25 1.37

主+附 10.43 2.58 6.4 0.51 0.95 10.64 -0.59 2.16 1.31

（四）墩柱检算（按偏心受压构件检算）

1.墩柱配筋：

墩柱纵横向均采用单根布置，间距10cm，钢筋直径28mm，每边28根钢筋；墩柱顶与底均采用双根一束加强。

2.计算成果整理

2.1由内力表中查得：

2.1.1墩柱顶控制内力：

主力：N=7108.55 KNMy=11639.17 KN・mMz=360.4 KN・m（左柱横向控制）

主+附：N=7169.32 KNMy=12984.83 KN・mMz=360.4 KN・m（左柱横向控制）

主+地：N=9853.85 KNMy=30269.72 KN・mMz=299.26 KN・m（右柱横向控制）

主+地：N=10638.85 KNMy=20669.77 KN・mMz= 291.07 KN・m（右柱柱顶以下4m处内力）

2.1.2墩柱底控制内力：

主力：N=8214.14 KNMy=10066.54 KN・mMz= 998.09 KN・m（左柱横向控制）

主+附：N= 9135.48 KNMy=15519.9 KN・mMz= 2268.17 KN・m（左柱横向控制）

主+地：N=13191.42 KNMy=11684.71 KN・mMz=264.47 KN・m（右柱横向控制）

在各种荷载组合工况下，由于墩柱底截面内力均小于墩柱顶截面内力，所以墩柱控制截面为墩顶截面，以下仅检算墩柱顶截面强度及稳定性。

2.2利用偏心受压程序进行强度检算，墩柱通长范围采用单根一束配筋：

2.2.1主力作用下：按单根一束计算。

混凝土压应力：σ h=6.1046 Mpa≤[σb]=13.5 MPa

钢筋拉应力：σg=94.3659MPa≤[σs]=180MPa

裂缝宽度(mm)= 0.09610≤［δ］=0.2mm

满足规范要求！

2.2.2主+附作用下：按单根一束计算。

混凝土压应力：σ h=8.2077Mpa≤[σb]=17.55MPa

钢筋拉应力：σg=132.7710MPa≤[σs]=230.0000MPa

裂缝宽度(mm)=0.13514≤［δ］=0.24mm

满足规范要求！

2.2.3主+地作用下：按单根一束计算。

混凝土压应力：σ h=17.3559 Mpa≤[σb]=18.9MPa

钢筋拉应力：σg=453.6774MPa＞[σs]=270MPa

钢筋拉应力不满足规范要求！

由以上计算结果可知，墩柱顶截面在主+地作用下钢筋拉应力超限，不满足规范要求，所以，墩柱顶以下4m范围内拟采用双根一束配筋。

2.3利用偏心受压程序进行强度检算，墩柱顶以下4m范围内拟采用双根一束配筋：

2.3.1主+地作用下：按双根一束计算。

混凝土压应力：σ h=12.7653 Mpa≤[σb]=18.9MPa

钢筋拉应力：σg=235.5702MPa≤[σs]=270MPa

满足规范要求！

2.3.2主+地作用下（墩柱顶以下4m处）：按单根一束计算。

混凝土压应力：σ h=11.4609 Mpa≤[σb]=18.9MPa

钢筋拉应力：σg=218.2505MPa≤[σs]=270MPa

满足规范要求！

由以上计算结果可知，墩柱柱顶以下4m范围内采用双根一束配筋，满足规范要求。

（五）框架墩整体刚度:

顺桥向：10000/19.773=505.7kN/cm

横桥向：10000/4.992=2003.2kN/cm

（六）桩基结构检算

1.承台底截面内力见表2:

表2 承台底截面反力

2.桩基检算结果见表3:

表3 桩基检算结果

四、简要施工工序

框架墩施工时先进行桩基、承台等基础施工，墩柱和横梁分两次浇注，第一次浇注混凝土至墩柱顶以下1.5m的地方，第二次浇注剩下的部分，并张拉横梁预应力钢束。

五、结束语

通过以上计算分析，本框架墩结构设计安全可靠。虽然框架墩施工过程对既有线运营影响比较大，但是大大地节约了工期。故在新建铁路跨越既有铁路，线路交叉角度较小时，可借鉴本方案设计。

参考文献：

[1]铁道第三勘察设计院.TB 10002.1－2005 铁路桥涵设计基本规范.北京：中国铁道出版社，2005.

[2]铁道第三勘察设计院. TB 10002.3－2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范.北京：中国铁道出版社，2005.

[3]铁道第三勘察设计院. TB 10002.5－2005 铁路桥涵地基和基础设计规范.北京：中国铁道出版社，2005.

[4]铁道部第四勘测设计院.桥梁墩台.北京：中国铁道出版社，1997.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。