晋中南铁路通道黄河特大桥基础设计

晋中南铁路通道黄河特大桥基础设计
殷晓波，徐升桥，张世基
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京，100055)
摘 要：晋中南铁路通道黄河特大桥作为第一条重载铁路跨越黄河的桥梁，穿越了黄河主河道以及北金堤滞洪区，需满足重载铁路的行车要求。

主桥采用了多孔128m简支钢桁梁，
引桥采用了多孔48m简支箱梁。

通过对多种基础形式的经济、安全等性能比较，选出最
优的基础布置形式。

通过对基础线刚度计算比较分析了重载作用下纵向水平线刚度对基
础的影响。

关键词：重载；结构设计；纵向线刚度
1概述
晋中南铁路通道是我国第一条采用30t轴重的线路，活载采用 “中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)”。

晋中南铁路通道黄河特大桥是晋中南铁路通道跨越黄河的控制工程，位于河南省濮阳市及山东省济宁市交界处，全桥长9928.66m。

主桥由1-99.05m简支钢桁梁和10-128m 简支钢桁梁组成，堤内引桥为57-48m简支箱梁，跨堤引桥为2-128m简支钢桁梁，堤外引桥由162-32m简支T梁和3-24m简支T梁组成，全部采用桩基础。

1.1 活载
列车活载图示：
图1 中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)标准活载图示
图2 中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)特种活载图示
1.2 桥址概况
桥址区位于黄河河道、河滩区，地势平坦，地质主要为粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂，其中饱和粉土、粉砂层为可液化层，液化深度为10～20m，液化等级为
中等。

桥址区设计地震加速度值为0.171g，地震动反应谱特征周期为0.50s，相应抗震设防烈度为7度，场地土类型为中软土，场地类别为Ⅲ类。

桥位处的设防流量按照17500 m3/s 考虑，对应桥位断面2060年设计水位为54.87m (包含60年河床冲淤变化深度)。

桥位处有凌汛，最高流冰水位为46.31m，桥内桥墩均设置破冰凌。

2总体布置
主桥全长1397.70m，均位于平坡上，由1-99.05m简支钢桁梁和10-128m简支钢桁梁组成。

主桥桥式布置见图3。

采用球型钢支座，固定支座设于线路左侧，并设于每孔梁的大里程侧。

图3 主桥桥式布置(单位：m)
3基础设计和墩顶纵向水平线刚度设计
3.1 基础形式
本桥桥墩采用圆端形桥墩。

墩台与基础除考虑常规设计因素外，还考虑了冰压力与地震力等特殊因素。

3.1.1 主桥基础
地震力按照《铁路工程抗震设计规范》（2009年版）设计，主桥多遇地震时重要性系数按照1.8考虑，地震动力放大系数采用2.8，地震作用时按照一般冲刷计算。

主槽一般冲刷线高程为32.52m，桥墩局部冲刷为23.09m。

主桥桥墩基础研究了5个桩基布置方案，分别为11-Ф2.5m、16-Ф2.2m、18-Ф2.0m、16-Ф2.0m、17-Ф2.0m，分析主力作用、附加力作用以及地震力作用几种工况下的受力状况。

表2 方案比较
方案 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 桩基布置 11-Ф2.5m 16-Ф2.2m 18-Ф2.0m 16-Ф2.0m 17-Ф2.0m
承台尺寸
29.9m×14.1m
×5.7m 32.6m×13.6m
×5.0m
29.8m×19.3m
×5.0m
29.8m×14.5m
×5.0m
29.8m×14.5m
×5.0m
承台体积(m3) 2454 2217 2876 1863 1863 桩基体积(m3) 6263 6082 5020 5340 4913 承台和桩基体
积(m3)
8717 8299 7896 7203 6776
地震验算 不满足 满足 满足 不满足 满足
承台刚性角 满足 满足 满足 满足 满足 线刚度 满足 不满足 满足 不满足 满足
从表2可以看出，方案5的技术、经济性最优，因此推荐方案5作为本桥基础的设计方案。

图4为推荐的17-Ф2.0m的承台和桩基布置图。

通过计算，128+128m桥墩、99.05+128m 桥墩及48+128m桥墩基础采用17根2.0m桩径桩基布置形式，48+99.05m桥墩基础采用14根2.0m桩径桩基布置形式。

图4 主桥承台和桩基构造(单位：m)
3.1.2 堤内引桥基础
堤内引桥多遇地震时重要性系数按照1.5考虑，地震动力放大系数采用2.5，地震作用时按照一般冲刷计算。

边滩一般冲刷线高程为37.21m，桥墩局部冲刷为31.90m。

堤内引桥桥墩研究了4个桩基布置方案，分别为11-Ф1.25m、12-Ф1.25m、9-Ф1.5m、8-Ф1.6m，分析主力作用、附加力作用以及地震力作用几种工况下的受力状况。

表3 方案比较
方案 方案1 方案2 方案3 方案4
桩基布置 11-Ф1.25m 12-Ф1.25m 9-Ф1.5m 8-Ф1.6m
承台尺寸
12.2m×8.3m×
3.0m 12.2m×8.9m×
3.5m
10.5m×10.5m
×3.5m
15.2m×10.0m
×3.2m
承台体积(m3) 304 380 386 486 桩基体积(m3) 946 1001 1082 1126
承台和桩基体
1250 1381 1468 1612
积(m3)
地震验算 不满足 满足 满足 满足
承台刚性角 满足 满足 满足 满足
线刚度 不满足 不满足 不满足 满足 从表3可以看出，方案2、3虽然从经济性能上较优，但是线刚度满足不了要求，方案4能满足所有要求，因此推荐方案4作为本桥基础的设计方案。

通过计算，48+48m桥墩基础采用8-1.6m桩径桩基布置形式。

图5为推荐的8-Ф1.6m的承台和桩基布置图。

图5 堤内引桥承台和桩基构造(单位：m)
3.2 墩顶纵向水平线刚度设计
本线采用了跨区间无缝线路技术，要求产生的钢轨附加力及桥梁墩台附加力不超过一定的安全限值。

本桥设计活载采用重载且桥梁跨度较大，因此，确定合理的墩顶刚度限值对桥梁设计及控制工程投资极为重要。

3.2.1 桥梁墩台纵向线刚度的定义
墩台顶纵向水平线刚度K(kN/cm)，是指使桥梁墩台支承垫石顶产生单位水平位移时所需的纵向作用力，即
式中
H—作用在墩台支承垫石顶的纵向水平力(kN)；
—在H作用下,由于墩台身弯曲引起的墩台支承垫石顶纵向水平位移(cm)；
—在H作用下,由于基础倾斜弯曲引起的墩台支承垫石顶纵向水平位移(cm)；
—在H作用下,由于基础平移引起的墩台支承垫石顶纵向水平位移(cm)。

3.2.2 简支梁桥梁轨共同作用计算模型
轨道结构与桥梁共同作用的力学计算模型如图6。

模型中，桥梁的纵向位移及制(启)动力是主作用，通过梁轨间的纵向约束带动长轨条发生纵向位移，在长轨条中产生纵向约束力，同时梁轨间的纵向约束力又以相反的方向作用在桥梁上，并传递至支座上，带动墩台产生纵向位移，使桥梁上翼缘的纵向位移发生改变，线、桥、墩是一相互作用的耦合系统。

通过求解该系统的平衡位置，即可得到钢轨中的纵向力、位移及桥梁纵向位移、墩台纵向力及位移。

图6 梁轨共同作用力学计算模型示意
3.2.3 计算参数及限值
铺设焊接长钢轨的桥梁下部结构，其纵向水平刚度取决于两方面的因素：一是桥上轨道强度和稳定性；二是在制动力作用下梁轨相对位移的大小。

为保证桥上轨道的强度及稳定性，经研究，当采用UIC60钢轨时，这个附加应力的最大拉应力不得超过81MPa，最大压应力不得超过61MPa。

同时为保持桥上轨道的横向阻力，保证轨道的稳定，梁轨之间的相对位移应控制在4mm以下。

计算参数及限值如表4所示
表4 计算参数及相关限值
项目 简支梁桥
钢轨 CHN60轨
列车活载 中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)
制动力率 μ=0.164
梁温度差 ±20°C
线路纵向阻力 r=10.8kN/m/轨
钢轨附加应力限值 +81MPa(拉)：-61MPa(压)
梁轨快速相对位移 4mm
制动力荷载加载长度 全桥加载
3.2.4 计算结果
计算结果如表5所示
表5 将军渡黄河特大桥单股钢轨轨道附加力
墩号 桥梁桥型 伸缩力T1 挠曲力T2 断轨力T3
82 48m简支箱梁 111.668 97.304 525.0
83 99.05m简支钢桁梁 102.567 169.140 940.4
84 128m简支钢桁梁 34.189 169.140 940.4
92 128m简支钢桁梁 34.189 169.140 940.4
93 128m简支钢桁梁 225.134 169.140 940.4
94 48m简支箱梁 88.325 97.304 525.0
梁轨相对位移计算结果如图7和图8所示
图7 128m简支钢桁梁与钢轨相对位移图
图8 48m简支箱梁与钢轨相对位移图
通过计算，128m简支钢桁梁对应的基础所需要的最小纵向水平线刚度为2000kN/cm，48m 简支箱梁对应的基础所需要的最小纵向水平线刚度为830kN/cm。

《高速铁路设计规范(试行)》中对48m简支梁桥墩顶纵向水平线刚度限值有具体规定，双线为720 kN/cm，《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》中对48m简支梁桥墩顶纵向水平线刚度限制也有具体规定，双线为1000 kN/cm。

但是重载与中活载和ZK活载都有区别，因此，在相应重载规范还未实施之前，本桥的纵向水平线刚度分析值对重载铁路桥梁设计具有参考意义。

4 结语
通过对晋中南部重载铁路黄河特大桥桩基础的设计过程，特别是对纵向线刚度限值的计算分析，明确了纵向线刚度对桥梁基础的影响和要求。

随着社会经济的发展，货运重载是铁路发展的大趋势，如何正确把握和理解铁路重载在设计中对桥梁基础的影响和要求，特别是纵向线刚度对基础的影响，对重载铁路桥梁设计具有重要意义。

5 参考文献
【1】《新建山西中南部铁路通道将军渡黄河特大桥防洪评估报告》[R]。

郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2010.11
【2】《新建山西中南部铁路通道工程汤阴东至日照南段场地地震安全性评价报告》[R]。

济南：山东工程地震研究院。

2010.11 【3】蔡小培，田春香，李成辉。

《64m简支梁桥铺设无缝线路墩顶纵向水平力刚度研究》[J]。

铁道建筑，2006(10):13-15. 【4】TB10002.1—2005 《铁路桥涵设计基本规范》[S]
【5】 GB50111—2006 《铁路工程抗震设计规范》[S]
【6】 TB10621—2009 《高速铁路设计规范(试行)》[S]
【7】 铁建设函[2003]205号 《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》[S]
作者简介：殷晓波(1986—) ，男，助理工程师，2008年毕业于华东交通大学桥梁工程专业，工学学士，E-mail：379481362@。