山区复杂地形对铁路桥梁墩台附加力的影响

山区复杂地形对铁路桥梁墩台附加力的影响

董耀文

中铁十局集团第二工程有限公司 河南 450000

摘要：由于温度变化、列车荷载作用，桥梁与钢轨之间产生相对位移。因轨道阻力的作用，梁轨相对位移受到约束，梁轨间产生大小相等、方向相反的纵向力，进而传递至墩台顶部，形成墩台附加力。TB10015—2012《铁路无缝线路设计规范》对墩台在伸缩作用、挠曲作用和制动作用下的设计值作出规定，但其计算前提相对单一，在实际情况尤其山区复杂地形条件下未考虑地形因素对墩台附加力设计取值的影响，因此有必要分析地形条件对墩台附加力的影响。本文主要分析山区复杂地形对铁路桥梁墩台附加力的影响。

关键词：铁路桥梁；墩台附加力；理论分析；桥梁墩台；梁轨相互作用；山区地形

引言

目前墩台附加力的设计值及规律大多建立在墩顶线刚度均匀分布的计算条件下，但实际情况中由于地形起伏、高低不定，墩顶线刚度不可能完全一致。本文建立线桥一体化有限元模型，模拟三种不同地形条件下的墩顶线刚度分布，研究山区复杂地形条件下地形因素对墩台附加力的影响。

1、起伏地形

起伏地形条件下，当桥墩刚度比不变时，桥墩、桥台的附加力均随跨度增加而增加。跨度相同条件下，随着相邻墩刚度差的增大，桥台伸缩力线性减小但减小幅度很小，桥墩伸缩力线性增加；桥台挠曲力线性增加但增加幅度很小，桥墩挠曲力线性增加；桥台制动力线性减小，桥墩制动力线性增加。相邻桥墩刚度差达到25%时，跨度的变化对于桥台附加力比值的影响较小。随着跨度从20m增加至48m，桥台伸缩力比值基本不变，桥台挠曲力比值增加不超过0.01，桥台制动力比值减小不超过0.05。相邻桥墩刚度差达到25%时，桥墩附加力比值随跨度增加而减小。随着跨度从20m增加至48m，桥墩伸缩力比值从1.19减至1.12，桥墩制动力比值从1.11减至1.09；随着跨度从20m增加至32m，桥墩挠曲力比值从1.20减至1.18。

2、山谷地形

山谷地形条件下，当桥墩刚度比不变时，桥墩、桥台的附加力均随跨度增加而增加。跨度相同条件下，当桥墩刚度减小时，桥台伸缩力线性增加，挠曲力线性减小，但这些作用变化幅度非常小；桥台制动力线性增加，当桥墩刚度减小50%时增加了5%。跨度相同条件下，当桥墩刚度减小时，桥墩伸缩力、挠曲力线性减小，但减小幅度可以忽略。跨度相同且制动作用下，当桥墩刚度减小时，桥墩制动力的变化比较复杂。由于中部桥墩刚度的减小，制动作用下最不利受力桥墩位置随着桥墩刚度减小而逐渐向桥梁两侧转移，同时相邻墩的墩刚度差异导致部分桥墩在局部承受了更大的制动力。曲线呈现不明显的弧形，但总体上看桥墩制动力的变化可以忽略。

3. 山脊地形

山脊地形条件下，当桥墩刚度比不变时，桥墩、 桥台的附加力均随着跨度增加而增加。跨度相同条件下，当桥墩刚度增加时，桥台的 伸缩力线性减小，挠曲力线性增加，但这两种作用变化幅度非常小；桥台的制动力线性减小，当桥墩刚度增加50%时减小了5%。跨度相同条件下，当桥墩刚度增加时，桥墩的 伸缩力线性减小，桥墩挠曲力线性增加，但这两种作 用带给桥墩的变化同样很小，桥墩制动力线性增加， 当桥墩刚度增加 50% 时增加了 10%。伸缩力减小的 原因是在“固活”支座布置形式下，桥墩伸缩力最不利 位置为最靠近梁尾的受力桥墩，中间跨桥墩刚度的增 加分担了一部分最不利位置桥墩的附加力。

4、铁路桥梁墩身混凝土裂缝成因

4.1荷载引起的裂缝

这种类型的裂纹通常是由外载荷的直接应力和二次应力引起的。造成这一问题的具体原因是桥墩结构设计不能有效地考虑计算与模型之间的关系。结果造成结构条件不合理，设计截面不足，钢筋布置存在问题。桥梁工程施工环节荷载引起的裂缝，在一定程度上是由于结构处理不当、未能严格按照图纸进行施工造成的裂缝;或者是由于大型车辆过度滚动而产生的裂缝，或者是由于自然灾害导致。

4.2地基地质所导致的裂缝

这种类型的裂缝通常是由于地面的水平沉降和位移引起的，而上述问题的发生往往是由于桥梁工程前期存在着资料试验不足等方面的问题所导致。

4.3墩台身冻开裂

柱子体出现网裂，大多发生在正常水位以上的阳光部分。裂缝宽度为0.1 ~ 1mm，深度为10 ~ 15 mm，长度不同。主要是由于高山地区季节性温差较大引起的混凝土内部温度拉伸应力。从地基到墩顶的纵向裂缝一般在底部宽、顶部窄，主要是地基土的柔软不平的铺设造成的。在较大的切向抗冻力或水平抗冻力作用下，压杆体产生水平裂纹，因为它自身的强度不足以抵消冻胀力。

5、提升铁路桥梁墩身质量的技术措施

5.1铁路桥梁墩身混凝土的材料控制

在整个工程里，材料为防止裂缝出现的根本所在，第一必须重视水泥的选用，桥梁墩身混凝土浇筑时，为保证调配出适宜的混凝土，应该从水泥用量上展开有效的把控，在降低水泥用量的同时尽可能的使用低热水泥，特别是能够使用一些硅酸盐水泥。第二为骨料的选用，造成混凝土裂缝出现的众多因素之中，遭受拉破坏的主要形式便为水泥和骨料连接面处的破坏，这也就意味着混凝土抗拉的具体情况往往受制于骨料和水泥的连接情况，所以必须要对骨料的直径情况、含沙量等设置明确的把控标准，由此从源头上强化混凝土的抗拉性能。第三为，应该减弱水灰比，如此能够极大的降低水化热，减少在进行浇筑后混凝土收缩情况，且强化混凝土和易性，降低由于配合比因素所造成的外观问题。

5.2冷却管降温和保温措施

浇筑后混凝土内部温度迅速升高，使得混凝土与外部的温差增大。如果此时室内和室外声音之间的温差不受控制，就会容易发生裂缝。为了有效地避免上述问题，我们可以采用“内部减少和外部保险”的方法。“内部废弃物”是指一定比例的冷却管道布置在混凝土中，水通过内部管道流动，以达到冷却目的。这是为了测量混凝土核心的温度。如果此值与施工现场温度相似，则可以停止供水。一般来说，薄壁钢管被用作冷却管道。为加强冷却效果，应控制1m内的铺装层间距和横向间距。有必要加强对混凝土管道的监测，及时消除堵塞问题。对于大体积混凝土，通过延长冷却管道工艺和构建循环单元，内部冷却管道中的水流可以快速流动。采用测温管道主要采用PVC管道或钢管。有必要确定混凝土的水平对称性及其相应的观测点。为了提高测温精度，必须保证测温装置在孔中停留3分钟以上。对于“外防护”，土工织物主要布置在混凝土上，以防止地表温度快速蒸发，提高热防护效果，降低混凝土的温差，进而提高混凝土质量。

5.3优化混凝土配比

提高混凝土强度可以使混凝土的比重更科学。加强水泥消费控制，合理设计混合过程中的骨料配比，并在一定程度上降低水水泥配比，可以有效地防止温度差异引起的裂缝。水泥品种选择:热释率对水泥水合热效果有直接影响，中低温水泥材料主要用于工程施工过程中。骨料选用:需提高骨料配比的科学性，砂质含量< 3%，含沙量< 1%，针状含量< 15%。水泥用量减少:在提高混凝土整体强度的基础上，骨料直径应较大，通过掺入粉煤灰可实现水泥用量减少的目的。采用该施工技术，水泥用量可比一般方案减少25% ~ 30%。混凝土要求:在不干扰抽油机运行的前提下，控制低根据工程施工的不同天气条件，合理控制混凝土裂缝。遇到高温环境，控制入室约160mm；在寒冷的天气里，入室被控制在140毫米左右。

结束语

无论是山谷地形、山脊地形还是起伏地形，当桥墩刚度比不变时，墩台附加力均随跨度增加而增加。山脊地形墩台伸缩力和挠曲力变化很小。跨度20~48m简支梁，当桥墩刚度增加50%时桥台制动力减小了5%，桥墩制动力增加了10%。山谷地形墩台伸缩力和挠曲力变化很小。跨度20~48m简支梁当桥墩刚度减小50%时桥台制动力最大增加了5%，桥墩制动力变化很小。起伏地形条件下，相邻桥墩刚度差达到25%时，桥台纵向力受跨度的影响较小，桥墩附加力比值随跨度增加而减小。

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