靳 飛， 楊喜文

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院， 北京 100055)

時速200 km城際鐵路雙線圓端形空心墩受力性能分析

靳 飛， 楊喜文

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院， 北京 100055)

結(jié)合時速200 km城際鐵路雙線圓端形空心墩設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述鐵路空心墩在非溫差工況和溫差荷載工況作用下的受力分析思路，總結(jié)出空心墩的受力特點(diǎn)和配筋原則。結(jié)論為：非溫差工況作用下，墩身應(yīng)力水平較低，僅需配置構(gòu)造鋼筋，按混凝土構(gòu)件對墩身進(jìn)行檢算；溫差工況作用下，部分墩身截面應(yīng)力已超出混凝土的容許應(yīng)力，需按計(jì)算配置鋼筋，按鋼筋混凝土構(gòu)件對墩身進(jìn)行檢算；實(shí)體和空心交界處存在明顯固端干擾效應(yīng)，需局部加強(qiáng)鋼筋布置。

城際鐵路；空心墩；溫差荷載；固端干擾

1 概述

近年來，隨著我國多條時速200 km城際鐵路的新建，山區(qū)鐵路墩高超過30 m的高墩橋梁已成為常見工程。與實(shí)體高墩相比，薄壁空心高墩由于具有受力性能好、縱橫向剛度大、節(jié)省圬工量且滑模和翻模的施工技術(shù)成熟，在山區(qū)環(huán)境的高墩鐵路橋梁中具有明顯的優(yōu)勢，所以得到了廣泛的運(yùn)用[1]。城際鐵路列車荷載比普通鐵路和高速鐵路小得多，墩身剛度的要求比高速鐵路橋墩低[2]，所以在相同墩高下，城際鐵路空心高墩的截面尺寸要小。薄壁空心墩受力復(fù)雜，主要原因是：(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。墩身截面沿墩高范圍存在突變，墩身截面剛度變化不連續(xù)，從墩身整體受力來看屬于混凝土結(jié)構(gòu)，而從局部受力來看，薄壁結(jié)構(gòu)又屬于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；(2)空心墩薄壁受溫差荷載的影響較大。空心墩內(nèi)部通風(fēng)不良以及混凝土本身熱傳導(dǎo)性能差等原因的影響，周圍環(huán)境氣溫驟變和日照的影響，會產(chǎn)生相當(dāng)大的溫差應(yīng)力；(3)固端干擾效應(yīng)明顯。在溫差荷載作用下，由于實(shí)體部分限制了薄壁部分的變形，所以薄壁和實(shí)體交界處的固端干擾應(yīng)力較大，且應(yīng)力衰減較快。

針對薄壁空心墩的受力特點(diǎn)，建立合理的計(jì)算模型，研究探討空心墩在非溫差工況和溫差工況作用下的受力特性，依據(jù)計(jì)算結(jié)果選取合理的配筋模式，使空心墩能夠滿足主要規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營功能。

2 橋墩構(gòu)造

在列車活載作用下，墩臺變形引起橋上軌道變位，為了減小橋上軌道變位量，保證線路平順，不致影響行車的安全性和舒適性，城際鐵路空心高墩尺寸的擬定需滿足剛度的要求?？招亩諛?gòu)造如圖1所示。

3 有限元模型的建立

實(shí)體有限元分析的材料定義為線彈性，彈性模量E=3.3×107kPa，泊松比為0.2，密度為2.6 t/m3。重力加速度為9.806 m/s2。支承墊石采用C50鋼筋混凝土，托盤頂帽采用C35鋼筋混凝土，墩身采用C35混凝土。橋墩的邊界條件為墩底約束節(jié)點(diǎn)的3個平動自由度，圓端形空心墩的三維實(shí)體有限元模型見圖2。

4 荷載及受力分析

4.1 墩頂荷載

墩頂所受梁體荷載主要有: 恒載、活載、制動力、離心力、搖擺力、長鋼軌縱向力、斷軌力、列車脫軌荷載、梁體橫向風(fēng)力，將以上荷載進(jìn)行最不利工況組合，作為墩頂所受外力的控制工況。由于實(shí)體分析計(jì)算工作量大，將每一最不利工況作用下的支座反力都逐一作用在墩頂再進(jìn)行實(shí)體分析，則需要較長的時間。因此采用偏于安全的包絡(luò)設(shè)計(jì)法，通過將“主+附”組合除以1.3和“主+特”組合除以1.4，將其轉(zhuǎn)化為主力，然后再比較主力作用下的最不利工況組合，找出墩身應(yīng)力的控制工況。墩頂荷載的包絡(luò)值見表1。

表1 墩頂荷載的包絡(luò)工況

表1所列墩頂荷載的包絡(luò)值對稱施加在兩個墊石的頂面，如圖3所示。

圖3 墩頂荷載施加示意

4.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.4.1條確定[3]，風(fēng)荷載強(qiáng)度W=K1K2K3W0，式中，W0為基本風(fēng)壓；K1為風(fēng)載體形系數(shù)；K2為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；K3為地形、地理?xiàng)l件系數(shù)。

各個參數(shù)取值見表2。

表2 風(fēng)荷載強(qiáng)度參數(shù)

風(fēng)荷載以均布壓力的形式作用于橋墩表面，風(fēng)荷載與墩頂荷載同時作用于橋墩，考慮二者的疊加作用。

4.3 溫差荷載

(2)氣溫及寒潮降溫引起的內(nèi)外壁表面溫差

溫差沿壁厚方向的分布方程Ax=A·e-βx。式中，A為內(nèi)外壁溫差，氣溫升溫取10 ℃，寒潮降溫取-10 ℃；x為以墩外壁表面為原點(diǎn)的徑向坐標(biāo);β取值為：氣溫升溫取6，寒潮降溫取4.5。溫差荷載與墩頂荷載同時作用于橋墩，考慮二者的疊加效應(yīng)，對于寒潮降溫工況同時考慮風(fēng)荷載的作用[6]。

圖4 日照溫差隨照射角度的變化

4.4 非溫度荷載作用下受力分析

在包絡(luò)工況1和風(fēng)荷載的共同作用下，墩頂實(shí)體段的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力分別如圖5、圖6所示。

圖5 墩頂實(shí)體段的主拉應(yīng)力分布

圖6 墩頂實(shí)體段的主壓應(yīng)力分布

由圖5、圖6可知，主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墊石與墩頂交界位置，為2.18 MPa，小于C35混凝土“有箍筋及斜筋時的主拉應(yīng)力”容許值[σtp-1]=2.25 MPa；主壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墩內(nèi)側(cè)墩頂?shù)菇窍戮?，?.09 MPa，小于C35混凝土“彎曲受壓及偏心受壓”應(yīng)力容許值[σb]=11.8 MPa，因此滿足規(guī)范要求。

4.5 溫差荷載作用下受力分析

氣溫溫差和日照溫差作用下，墩身空心段頂部、中部和底部的主拉應(yīng)力分布如圖7所示，其中日照角度由0°(日光沿橫橋向照射)經(jīng)27°、45°和63°變化到90°(日光沿順橋向照射)。由表3和圖7可知：(1)最大主拉應(yīng)力的位置與日照角度具有對應(yīng)關(guān)系，光線與墩表面相垂直的位置主拉應(yīng)力最大，由于墩中部不受固端干擾影響，這種現(xiàn)象更加明顯；(2)隨著日照角度從0°到90°變化，墩頂、墩身中部和墩底節(jié)段的最大主拉應(yīng)力逐漸增加，因此可以依據(jù)太陽照射角度為90°時的應(yīng)力進(jìn)行環(huán)向配筋計(jì)算，最大主拉應(yīng)力的位置在截面的直線段中部[8]。

表3 日照和氣溫溫差下墩壁的最大主拉應(yīng)力

圖7 日照和氣溫溫差下墩身的主拉應(yīng)力(單位：kPa)(日照角度為90°)

寒潮降溫溫差(-10°)下墩頂、墩中和墩底截面的環(huán)向應(yīng)力分布如圖8所示。由圖8可得：墩壁外側(cè)環(huán)向受拉，墩頂和墩底的墩壁外側(cè)最大主拉應(yīng)力約為2 MPa，出現(xiàn)在截面直線段上；墩高中部的墩壁外側(cè)最大主拉應(yīng)力約為1.4 MPa，出現(xiàn)在截面直線段和圓弧段上。

圖8 降溫溫差-10°下墩身的主拉應(yīng)力(單位：kPa)

5 配筋設(shè)計(jì)

由于空心墩壁的溫度應(yīng)力呈拋物線的非線性分布，為了方便計(jì)算，可將應(yīng)力圖簡化為矩形及三角形。根據(jù)截面應(yīng)力平衡原理，求出簡化的中性軸位置，再根據(jù)公式推導(dǎo)計(jì)算截面的單寬內(nèi)力，然后可按受彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算[9]。配筋計(jì)算方法：在墩頂、墩中和墩底分別截取一個環(huán)向節(jié)段，然后在主拉應(yīng)力最大的位置截取一個豎向截面，對截面進(jìn)行應(yīng)力積分，得到該截面上的內(nèi)力，然后按照容許應(yīng)力法計(jì)算截面配筋，計(jì)算截面截取見圖9，應(yīng)力積分過程見圖10，配筋計(jì)算結(jié)果見表4。

圖9 環(huán)向配筋計(jì)算截面截取(單位:cm)

圖10 環(huán)向截面應(yīng)力積分示例(日照升溫)

工況氣溫+日照溫差寒潮降溫-10℃位置內(nèi)力受拉鋼筋軸力/kN彎矩/(kN·m)根數(shù)直徑/mm墩頂186.0100.0512.0墩中48.0153.0812.0墩底233.0401.01312.0墩頂45.080.0712.0墩中1.7150.0812.0墩底65.0326.01512.0備注內(nèi)側(cè)墩壁受拉外側(cè)墩壁受拉

6 固端干擾效應(yīng)分析

寒潮降溫-10 ℃時墩壁外表面的環(huán)向應(yīng)力，以及氣溫+日照溫差下墩壁內(nèi)表面的環(huán)向應(yīng)力見圖11。由圖11可知，在實(shí)體和空心交界段4.5 m高范圍內(nèi)應(yīng)力水平較高，而在此區(qū)域外應(yīng)力衰減較快，此現(xiàn)象稱為“固端干擾”現(xiàn)象。由表4可知，環(huán)向鋼筋配置最多的部位均出現(xiàn)在墩底位置[10]。

圖11 墩壁環(huán)向應(yīng)力沿墩高分布

7 結(jié)論

(1)非溫度荷載工況作用下，空心墩墩身混凝土最大主拉應(yīng)力值和最大主壓應(yīng)力值均小于《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中所要求的容許值，僅需配置構(gòu)造鋼筋，此工況作用下可以認(rèn)為鐵路空心墩是按混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)；

(2)在溫差荷載作用下，日照升溫內(nèi)側(cè)墩壁受拉，寒潮降溫外側(cè)墩壁受拉，混凝土應(yīng)力均超過混凝土構(gòu)件最大容許拉應(yīng)力，需按計(jì)算配置足夠數(shù)量的鋼筋，使得墩身各截面的混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、裂縫均滿足規(guī)范要求[11]，此工況作用下可以認(rèn)為鐵路空心墩是按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。

(3)在實(shí)體和空心交界段4.5 m高范圍內(nèi)，存在明顯的固端干擾效應(yīng)，此區(qū)域應(yīng)力水平較高，而在此區(qū)域外應(yīng)力衰減較快。在寒潮降溫-10 ℃作用下，固端干擾區(qū)墩壁外表面環(huán)向應(yīng)力峰值大約是非固端干擾區(qū)的1.4倍。在氣溫+日照溫差作用下，固端干擾區(qū)墩壁內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)力峰值大約是非固端干擾區(qū)的1.57倍。由此得出：在空心墩的墩頂和墩底固端干擾區(qū)，需適當(dāng)加強(qiáng)墩壁內(nèi)外側(cè)表面水平環(huán)向鋼筋[12]。

目前，以上研究成果已成功運(yùn)用于廣清城際鐵路空心橋墩施工設(shè)計(jì)中，且大部分空心墩已順利完成施工。

[1] 劉亞敏.高速鐵路空心墩的溫度應(yīng)力研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(3)：61-65.

[2] 陳慧.鐵路橋梁圓端形空心墩的設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(4)：77-79．

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002. 1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005．

[4] 鐵道部第四勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊·橋梁墩臺[M].北京:中國鐵道出版社，1997.

[5] 鐵道部第三勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊·橋梁設(shè)計(jì)通用資料[M].北京:中國鐵道出版社，1994.

[6] 王勇軍.時速200 km 客貨共線鐵路空心橋墩溫度應(yīng)力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(6):59-62.

[7] 簡方梁，吳定俊.高墩日照溫差效應(yīng)耦合場分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2009(1):45-50.

[8] 彭友松，強(qiáng)士中，李松.圓形空心墩日照溫度效應(yīng)分析[J].橋梁建設(shè)，2006(4):74-77.

[9] 陳伏冰，黃列夫.薄壁空心墩溫度應(yīng)力作用下配筋設(shè)計(jì)探討[J].中外公路，2010(5):186-189．

[10]劉志峰.空心高墩固端應(yīng)力的數(shù)值分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010(18):92-93．

[11]張楊.高墩大跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(4)：79-82．

[12]鮑飛宇.基于Opensees的鐵路空心高墩地震反應(yīng)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(1)：64-67.

Stress Performance Analysis of Double Round-shaped Hollow Pier for 200 km/h Intercity Railway

JIN Fei, YANG Xi-wen

(Bridge Engineering Design and Research Institute， China Engineering Consulting Group Co. Ltd.， Beijing 100055， China)

With reference to the design of hollow pier for 200 km/h inter-city railway， this paper focuses on the stress analysis of railway bridge hollow pier under the working condition of non-temperature difference and temperature load， and summarizes the stress particularities and reinforcement requirement for the hollow pier. The conclusions are as follows: (1)Under the working condition of non-temperature difference， the stress level of pier shaft is low and only structural steel bar is needed， and the pier shaft is verified as a concrete member. (2)Under the working condition of temperature difference， part of the pier cross-section stress excesses the allowable stress of concrete， steel bar is arranged according to calculation and the pier shaft is verified as a reinforced concrete member. (3)Obvious fixed end interference effect exists in solid and hollow juncture， which requires additional local reinforcement．

Intercity railway; Hollow pier； Temperature difference load; Fixed end interference

2014-12-01；

2014-12-07

靳飛(1980—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于中南大學(xué)橋梁與

隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：jinfeicsu@163.com。

1004-2954(2015)07-0095-05

U443.22

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.021