中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市大兴区 102600
摘要：近年来我国高速铁路发展迅猛，线路间常需立体交叉，使预应力混凝土横梁、钢横梁门式墩得到了广泛的应用，且其经济和社会效益显著。本文主要介绍了门式墩的布跨原则、分析了某铁路设计情况，对跨越既有铁路线的桥梁方案进行了简单的分析，为相关设计提供一定参考。
关键词：铁路；门式墩；布跨原则；刚度
The Design of Frame Pier for Railway Bridges
Liu Huan1
(1. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group CO.,LTD, Daxing District, Beijing, China, 102600 )
Abstract: In recent years, China High-speed Railway has been developed rapidly. Railway lines often require crossing existing roads and railways, which put Frame Piers with prestressed concrete or steel beams in massive usage. Frame Pier has been proofed to be one of the reasonable choices with both economic and social benefits. Based on a railway project, this paper mainly introduces the principle of span arrangement based on analyzing several Frame Piers and makes a schematic analysis of a railway project that crossing an existing railway bridge. This paper may provide references for other designs in the future.
Key words: Railway; Frame Piers; Span Arrangemant Principle, Stiffne
前言
近年来，铁路门式墩应用愈发广泛，在新建线小角度跨越既有、新建线，或小角度跨越城市道路时隔离带不具备立墩条件时，通常采用大跨度桥梁或门式墩跨越。当选用大跨度跨越时，结构往往不具备经济性，而门式墩恰好补充这一不足；但从建筑美观角度看，门式墩相对较差；另从结构受力来讲，大跨度重点在于梁部，门式墩重点在于下部，上部可采用统一简支梁形式[1] [2]。
门式墩由横梁、墩柱、承台以及桩基四个部分组成的柔性门架体系[3]，从横梁的结构形式上分可以分为普通钢筋混凝土结构、预应力钢筋混凝土结构、钢结构、钢混结合梁等；从施工方法上分可以分为现浇、预制后整体吊装或顶推等多种形式，可因地制宜的灵活选择。门式墩的墩柱截面形状在铁路上常采用矩形，普通钢筋混凝土结构或者钢混结合结构，施工方法一般为现浇施工。门式墩结构体系为刚架结构，对温度、不均匀沉降较敏感，需协调横梁、墩柱及基础三者截面尺寸，且门式墩墩柱及基础横向受力不利，故与一般墩柱设计差别较大，且当墩柱较高时，结构纵向刚度较为控制[4] [5]。
1 布跨原则
门式墩方案设计首先要考虑的就是确定结构大尺寸，如墩高、跨度，这关系着设计方案的可行性及经济性。那么形成一个既定的原则，对于初步确定桥梁方案，布置上部结构孔跨就显得更为方便、快捷，减小了后期调整方案的工作量。以下分别从净空及净距两方面说明门式墩的基本布跨原则。
1.1门式墩跨越铁路净空要求
门式墩布跨时，首先要考虑所跨线净空限界是否满足要求，这对整条线路的纵断及方案影响较大。根据限界要求各线路等级净空要求详见表1。
因考虑接触网回流线为高压带电体，当所跨线为铁路等级较高、较为繁忙线路，不具备长时间断电施工时，需留出与带电体间的安全距离，通常接触网回流线较限界低约0.3m，根据规范要求最小保持0.5m距离，故通常预留净空需在限界要求的基础上增加0.2m。
1.2门式墩跨越铁路水平限界要求
待门式墩净空满足要求确定墩高后，还需确定门式墩跨度（即两墩柱中心间距），两者均满足要求后，方可判断门式墩方案可行性。
(1)跨越既有铁路路基
当跨越既有铁路路基时，需考虑两方面，其一为承台施工时对既有线路基扰动的问题；其二是既有线路接触网回流线限界问题。
针对问题一，通常为减小对既有线路基的扰动，会采取防护措施，如钢板桩防护、挖孔桩防护等；针对问题二，考虑墩柱边缘与接触网回流线之间安全距离即可。
通常针对以上两问题，预留间距可参考以下数值：
①门式墩承台边缘与既有线中心距离D1(m)
D1=d1+d2+B1 （2.1）
式中 d1——线路中心到路基边缘距离4.4m；
d2——施工空间约0.5m；
B1——挖孔桩防护取1.75m、钢板桩防护取
1.5m。
②门式墩墩柱边缘与既有线中心距离D2(m)
D2=d3+d4+B2+0.15 （2.2）
式中 d1——线路中心距接触网立柱边缘3.2m；
d2——回流线宽，高铁约1.5m，普铁约
1.07m；
B2——接触网回流线的安全距离。
(2)跨越既有铁路桥梁
当跨越既有铁路桥梁时，需考虑三个方面，其一为承台施工时对既有线桩基础扰动的问题；其二是既有线路接触网回流线限界问题；其三为桩基施工空间问题。
针对问题一，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182-2017）（征求意见稿）中对不同地区地质条件下钻孔桩施工对高铁桥梁的桩基影响分析结果，对软土、粉细砂等软弱土，桩间距宜大于6d控制；跨越土层较好时，桩间距可放宽，但不宜小于4d控制；针对问题二，与跨越既有路基相同，保证相同的安全距离即可；针对问题三，墩柱距桥边线不宜小于2.0m，且当桥高度小于15.0m时，桩基基础不得侵入桥边线，应预留施工空间。
(3)跨越新建铁路路基、桥梁
当跨越新建铁路路基或桥梁，且两线可同时施工时，仅考虑墩柱与接触网回流线间安全距离即可，见式2.2。
2 结构设计与有限元分析
本文以某铁路联络线门式墩设计为例，进行布跨及计算。
2.1工程概况
该处联络线跨越既有铁路桥梁，所跨铁路等级为高速铁路，设计时速350km/h，桩基直径为1.25m，两线交角为3°，采用简支梁常规墩柱无法跨越，为保证既有线运营安全，减少施工过程中对既有线运营干扰，采用4-32m钢横梁门式墩方案。两线平面位置关系如图1。
图1 两线相交平面位置关系
2.2设计标准
设计时速：160km/h；
线路情况：单线，平面位于直线上；
上部梁型：32m简支箱梁；
特殊岩土：主要为填土及软土；下伏基岩为二叠系下统石灰岩，石炭系中统石灰岩。
2.3结构尺寸
此处布跨控制条件包括：①新建铁路基础与既有铁路桩基间桩间距：因地质稍差，考虑桩间距按6.0m控制；②墩柱与接触网回流线间的安全距离：因既有线为高速铁路，等级较高，门式墩施工时，既有线处于运营阶段，此处预留2.00m安全距离，即墩柱边缘距线路中心距离按6.75m控制。
通过以上两个条件及试算确定门式墩结构尺寸，详见表2。
图2 Midas-civil计算模型
因墩柱较高，且地层相对较差，结构偏柔，墩柱不作为控制设计，钢横梁受力偏不利，但影响相对不大，故本文省略结构受力表述，仅对刚度和位移进行分析。
根据最新《铁路桥涵设计规范》中规定，本设计门式墩纵向刚度最小限值为220kN/cm，顺桥向弹性水平位移不应大于5L1/2，梁端水平折角不应大于1.5‰rad。
在进行结构变形计算时，对承台及墩柱截面进行0.8EcI的刚度折减。其中结构整体刚度是通过对线路中心位置施加单位力，读取相应的位移值所得；梁端折角考虑的荷载包括静活载、离心力摇摆力、1倍的风荷载或0.4倍风荷载与0.5倍桥墩温差组合，本设计范围线路为直线，故无离心力。具体结果详见表3。
由以上结果，两者的横向位移差异约在20%左右，纵向差异约在3%左右，相对钢横梁截面与材料，混凝土横梁的刚度较大，位移较小。
3 结论
经对比分析可知：
（一）门式墩可以较好的解决线路小角度交叉问题，可节约成本，方便施工。但门式墩布跨涉及到的边界条件较多，需从限界、结构可行性、施工等各个角度考虑全面；
（二）在门式墩结构尺寸及基础刚度相同的情况下，钢横梁结构刚度比混凝土横梁结构刚度小，尤其是横向位移响应差异较明显。所以对于高墩，采用钢横梁门式墩方案时，刚度及位移较混凝土横梁更为控制。
参考文献
[1]陈亮. 高速铁路门式墩设计技术研究［J］.中国水运， 2015, 15( 5) : 233-235+251．
[2]陈杰. 铁路大跨度钢横梁门式墩设计[J].铁道勘察, 2017, 43(04) : 92-95+106.
[3]王永超. 浅议门式墩的发展与应用[J].城市道桥与防洪, 2013(03) : 104-105+216.
[4]戴公连,闫斌,魏标. 门式墩纵向刚度及其对无缝线路纵向力的影响[J].华中科技大学学报(自然科学版), 2012, 40(11) : 33-36.
[5]万明. 刚度在框架墩计算中的影响[J].铁道勘察, 2010, 36(05) : 88-89.
[6]刘彦明. 跨越既有铁路桥梁方案设计研究[J].铁道标准设计, 2016, 60(02) : 57-61.
论文作者:刘欢
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/22
标签：刚度论文; 铁路论文; 横梁论文; 结构论文; 限界论文; 线路论文; 桥梁论文; 《建筑学研究前沿》2018年第15期论文;