摘 要：新建铁路与既有铁路以小角度交叉时，为减小结构跨度、结构高度、施工高度和运营铁路上方施工作业时间，多采用钢横梁混凝土立柱组合框架墩结构。以连盐线跨越既有陇海铁路为工程实践，分析控制结构设计的各项指标及钢横梁的预拱度设置，介绍钢横梁与混凝土立柱先铰结后刚接的体系转换形式，创新地提出新型临时支撑—钢球铰的理念，阐述墩梁结合处的节点设计与施工关键技术。
关键词：铁路桥；钢混组合结构；框架墩；钢球铰；体系转换；设计；施工
1 概述
新建铁路与既有线斜交时，一般采取的跨越形式一种为框架墩，另一种采用大跨桥梁一跨跨越，如斜拉桥、连续刚构、简支或连续钢桁等。大跨径桥梁跨越方式，虽然对既有线安全运营影响较小，但投资一般都比较大，而且在小角度跨越时，从美学角度上看并不美观[1]，因此，在方案比选时优势较小。而采用钢横梁混凝土立柱结构跨越，可保证上部结构的标准化，下部结构布置灵活，最大限度降低结构高度，且钢横梁为工厂预制、现场拼装，一次吊装，工期短、易施工，能大大减小对铁路运营干扰[2]。
2 工程概况
连盐线铁路等级为国铁Ⅰ级，单线，设计速度200 km/h。连盐新沭河特大桥在里程 DK052+685.8 处与既有陇海、盐东铁路相交，交角仅20°，为避免施工中影响既有铁路的运营安全以及降低施工难度，上跨既有线处框架墩采用混凝土立柱、钢横梁结构，钢横梁采用工场加工、现场吊装架设施工方案，框架墩平面布置见图1。
图1 框架墩平面布置(单位：cm)
3 结构设计
框架墩为混凝土立柱、钢横梁结构，立柱间距为30 m，立柱截面为2.5 m×2.5 m，承台平面尺寸5.1 m×5.1 m，厚2.0 m，基础采用4根φ1.0 m钻孔灌注桩。框架墩构造见图2。
图2 框架墩构造(单位：cm)
建立Midas模型，按钢结构设计规范对钢材容许应力要求进行试算，拟定钢横梁梁高2.856 m，宽2.8 m，上下翼缘钢板厚28 mm，上下翼缘板内侧焊有纵向加劲肋，两侧腹板内侧焊有2道水平加劲肋，横梁内每隔2.7 m左右设1 道横隔板，并且在顶梁平台及支座位置增设横隔板[3]，隔板之间设竖向加劲肋，水平加劲肋沿全梁通长，遇有竖向加劲肋处将竖向加劲肋断开，钢横梁断面见图3。
图3 钢横梁断面(单位：mm)
4 节点设计关键技术
框架墩墩顶固结方式一般分一次固结和先铰接后固结两种。一次固结是常规施工方法，工序简单、施工方便，架设钢横梁后直接浇筑墩顶连接段混凝土形成永久固结，然后再架设简支梁、施工二期恒载。一次固结能减小横梁上主梁支座处的最大弯矩，满足设计经济性要求，且能更好地保证结构的整体性、抗震性和主梁的抗扭性。但这将对框架墩结构产生“主梁自重、二期恒载和列车活载”三个阶段的内力叠加，引起梁柱节点处出现较大的弯矩，直接控制横梁和立柱设计。
为避免加大梁柱截面尺寸或节点加腋，本桥采用恒载铰接、活载刚接的计算模式进行设计。施工时先将钢横梁置于柱顶，暂不浇筑节点混凝土，此时横梁与立柱按铰接计算；待上部梁跨架设和二期恒载施工完成后横梁与立柱进行刚接。此时横梁立柱柱节点仅承受列车活载和温度变化引起的横向弯矩，其数值比梁柱一次固结时大幅降低[4]。虽然先铰接后固结施工工序相对较繁琐，但能有效减小柱顶弯矩，减小立柱截面及配筋量，经济优势明显。两种固结方式内力及应力比较如表1所示。
表1 节点固结方式内力、应力比较
从表1中可以看出，先铰接后固结相对一次固结方式横梁内力虽大约20%(随活载作用位置及横梁跨度变化而减小)，但墩顶内力以及混凝土应力比一次固结小约40%，而钢筋应力更是小了50%之多，立柱尺寸及配筋可得到大大优化。
5 计算结果
采用Midas软件进行结构分析，考虑基础刚度等边界条件，沉降及温度对框架墩受力较为敏感[5]，不均匀沉降按0.5 mm考虑，温度荷载工况为整体升降温±25 ℃、钢横梁升降温±10 ℃。荷载组合为：主力组合，恒载+活载+摇摆力+离心力+沉降+钢轨力[6]；主+附组合：恒载+活载+摇摆力+离心力+沉降+钢轨力+风+温度+制动力，分别对钢横梁强度、挠度、稳定、疲劳以及下部结构强度、裂缝、地基承载力等内容进行检算[7-9]。
(1)强度计算
钢横梁采用Q345qE钢材，计算结果见表2。
表2 钢横梁计算结果 MPa
(2)预拱度
框架墩跨度较大，且钢横梁较柔，为保障线路平顺、列车稳定舒适，横梁应具备一定的刚度，预拱度按恒载+活载/2设置[10]，横梁跨中最大为3.34 cm(向上)，其它位置按抛物线平滑顺接。
(3)整体稳定
钢横梁最大应力σ=124.2 MPa<0.9[σw]=180 MPa，整体稳定满足要求。
(4)局部承压
支座处承受上部较大荷载作用，此处钢横梁设置支座横隔板及加劲肋，局部压应力σ=N/A=119.5 MPa<0.9[σ]=180 MPa，支座局部承压满足要求。
(5)局部稳定
钢横梁除应满足整体稳定外，截面内加劲肋还应满足局部稳定要求，防止局部屈曲造成整体结构强度不足及整体失稳。设计时按照规范规定加劲肋伸出肢的宽厚比不大于15，加劲肋厚度16 mm，宽度240 mm；且本桥h/t=2.8/0.02=140，按规范要求应设置中间竖向加劲肋，其间距
=2.9 m≥0.9 m，满足要求。
(6)疲劳检算
框架墩承受列车活载作用，应对钢横梁进行疲劳强度检算，对于拉-拉构件(ρ=σmin/σmax≥-1)应满足rdrn(σmax-σmin)≤rt[σ0]。其中，rd为双线桥的双线系数，本横梁取1，rn为损伤修正系数，取1.1。钢横梁板厚t=28 
MPa<0.97×110.3=107 MPa。
(7)立柱及基础
按照荷载组合提取下部结构内力按照偏压构件进行墩柱、桩基强度及裂缝检算，结果满足规范要求。
6 新型施工工艺—钢球铰
为实现钢横梁与墩柱连接体系转换，一般常规做法为先立模浇筑墩柱至横梁底以下1.0 m处，墩柱主筋与外包钢板焊接，然后柱顶钢板与外包钢板焊接，待横梁架设及二恒铺设后浇筑墩柱顶剩余混凝土，此做法的缺点：一是横梁在恒载作用下会产生转角变形，墩顶钢板需根据分析计算设置一定角度；二是梁柱节点处弯矩靠外包钢板承受，实际计算很难等效为钢筋受力；三是钢横梁底与柱顶钢板采用焊接，在活载及温度反复作用下焊缝很容易开裂受损，对结构受力及后期维修养护不利。
本文在对传统转体球铰优化后，创新提出施工临时支撑-钢球铰的概念，钢球铰下钢板为一半径R=3 m的圆弧形钢板，钢板底面均匀焊接28根N20剪力钉[11]以保障钢球铰与立柱顶基座的连接牢靠，钢横梁吊装前完成立柱顶钢球铰基座施工并预埋钢球铰。横梁支腿为钢球铰的上钢板，与钢横梁整体焊接、吊装，钢球铰与横梁支腿形成“点接触”，球铰上下圆弧形钢板能够自动适应横梁在自重和主梁恒载作用下的转角变形[12]，释放了恒载作用下立柱顶的弯矩，也避免了对柱顶倾角的分析和预留。墩梁固结处节点构造见图4。
图4 钢球铰节点构造(单位：cm)
7 立柱及钢横梁施工步骤
因涉及横梁与墩柱连接体系转换的问题，要求墩梁固接处的混凝土分阶段灌注，以实现设计目的。钢球铰应提前与钢横梁焊接好，立模浇筑第一阶段混凝土(含钢球铰基座)，然后采用吊车将钢箱梁吊装至墩柱上。钢横梁下翼缘板对应立柱位置开椭圆形小孔及施工孔，T梁架设就位并且二期恒载施工完成后，短钢筋从小孔中穿出，与墩柱主筋焊接，浇筑墩顶C50微膨胀混凝土，达到墩柱与横梁的恒载铰接-活载刚接的目的，完成体系转换。当第二阶段混凝土施工完毕后，墩柱与钢横梁刚接，此时框架墩角隅处只承担上部活载产生的弯矩效应，大大减小了墩柱与横梁的截面尺寸，达到预期效果。立柱顶处钢横梁底板开孔构造见图5，框架墩施工方法见图6。
图5 钢横梁墩顶处钢板开孔构造(单位：mm)
图6 框架墩施工步骤
8 结语
钢横梁框架墩能有效解决新建铁路与所跨越铁路交叉的问题，以结构高度小、布置灵活、施工工期短、对既有铁路运营干扰小，经济效益显著。以连盐铁路上跨陇海铁路为例，通过计算给出结构设计控制指标检算结果，对节点处一次固结和先铰接后固结方案进行了论证，总结出先铰接后固结的关键技术，并创新提出梁柱节点施工临时支撑-钢球铰的概念，优化了立柱截面尺寸及配筋，大大降低了梁柱节点处施工难度，减小了运营阶段角隅处应力，避免了采用外包钢板等其他连接方式造成的梁柱设计过强及梁柱结合处开裂现象。
