渝利和蘭渝鐵路橋梁雙線圓端形空心墩設(shè)計

肖奇寧

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

橋墩輕型化的一個途徑，是將重力式橋墩改為空心橋墩，在相同結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的條件下，以達(dá)到減輕重量、節(jié)省圬工的目的。若干年以來，隨著鐵路建設(shè)向山區(qū)發(fā)展，要求建造許多高墩，而空心墩又是高墩中的較好結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合滑動鋼模版的使用和進(jìn)展，使空心高墩得到迅速的發(fā)展。圓端形空心墩，較之圓形空心墩，具有更大的橫向剛度，更合理的縱橫向尺寸結(jié)構(gòu)搭配；較之矩形空心墩，具有更好的水流順暢性、更合理的水力特性、更方便的施工操作性；較之圓端形實體墩，雖施工難度加大、鋼筋用量較多，但在高橋墩情況下，它所具有的較大墩身剛度、較少墩身圬工量、較經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式，是實體墩不可比擬的。因此，本文將對圓端形空心墩的設(shè)計特點進(jìn)行論述。

1 雙線圓端形空心墩與雙線圓端形實體墩的比較

1.1 適用范圍

對常用的24 m、32 m簡支梁圓端形實體橋墩而言，當(dāng)墩高大于30 m時，設(shè)計需要較大的實體截面，墩身混凝土體積數(shù)量很大(在雙線時尤為突出)，墩身、基礎(chǔ)設(shè)計均不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)驗表明，采用空心截面能較好地解決這一難題。

目前，在一些在建客貨共線及高速鐵路線上，為使橋墩獲得更大的剛度、節(jié)省墩身混凝土、盡量減少模板種類，對常用跨度簡支梁圓端形橋墩，在墩高大于30 m時，就已采用了空心截面。表1為渝利線和蘭渝線(時速200 km,Lp=32+32 m)雙線圓端形實體墩與雙線空心墩墩身工程數(shù)量與墩身縱向剛度對比表。

由表1可見，墩高越高，空心墩在增大墩身剛度、減少墩身混凝土上的優(yōu)勢就越明顯，但鋼筋用量較實體墩多?？傮w而言，每52.253 kg鋼筋，換取節(jié)省1 m3混凝土，其性價比是值得的。且不說其可以減少材料運(yùn)輸、提升環(huán)保狀態(tài)，其標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以增加結(jié)構(gòu)物的彈性韌性，增加抗裂能力，對空心墩而言是至關(guān)重要的。

表1 Lp=32+32直(曲)線雙線圓端形實體墩與雙線圓端形空心墩墩身工程數(shù)量與墩身縱向剛度對比

1.2 構(gòu)造特點

圓端形實體墩由頂帽、托盤、墩身組成，構(gòu)造簡單；空心墩則包括上、下實體段，上、下倒角，空心墩身，墩內(nèi)檢查通道，墩壁通風(fēng)孔等，構(gòu)造相對復(fù)雜。渝利線(圖1)和蘭渝線(圖2)時速200 km雙線，Lp=32+32 m雙線圓端形實體墩與雙線圓端形空心墩的構(gòu)造圖。

按《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第5．3．14條，目前空心墩多為厚壁結(jié)構(gòu)，墩頸處最小壁厚當(dāng)為混凝土?xí)r不小于0.5 m；按文獻(xiàn)[6]介紹，在滿足局部穩(wěn)定的前提下，一般空心墩可不設(shè)橫隔板。圓端形空心墩局部穩(wěn)定性按t/R≥1/15控制原則設(shè)計。

圖1 雙線圓端形實體墩構(gòu)造

圖2 雙線圓端形空心墩構(gòu)造

1.3 計算內(nèi)容

圓端形實體墩墩身設(shè)計主要包括：截面應(yīng)力，偏心檢算，整體縱向穩(wěn)定性檢算，墩身彈性變形產(chǎn)生的墩頂縱、橫向位移計算，墩身縱向剛度計算。

圓端形空心墩為空間板殼結(jié)構(gòu)，墩身設(shè)計有其獨特之處：

截面應(yīng)力檢算除按常規(guī)方法計算外荷產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力外，還應(yīng)計入溫度應(yīng)力、固端干擾應(yīng)力的作用，高墩的自振頻率與風(fēng)振也是截面應(yīng)力的影響因素。

混凝土空心墩可不做截面偏心檢算，但截面拉應(yīng)力值不得大于混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力，這是與實體墩不同的。

在穩(wěn)定性方面，空心墩應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定的檢算。

高墩的位移、剛度是墩身設(shè)計的控制條件?！叭照諟夭町a(chǎn)生的墩頂位移”這一分項的增加，是與實體墩墩頂位移計算不同的；在考慮溫度應(yīng)力、地震作用等因素而使空心墩墩身配筋較多，許多截面已超過了鋼筋混凝土截面的最小配筋率時，筆者認(rèn)為，截面的抗彎剛度應(yīng)取為0.8EI，這與實體墩抗彎剛度取1.0EI也是不同的。

在對列車豎向動力系數(shù)的采用上，實體墩可不計列車豎向動力作用；空心墩上實體段計算、墩身截面應(yīng)力及配筋計算，均需計入列車豎向動力作用。

上下實體段設(shè)計，是空心墩的又一不同之處?？衫肁NSYS、MIDAS等空間計算程序進(jìn)行應(yīng)力分析，確定上下實體厚度、上下倒角大小等關(guān)鍵尺寸并指導(dǎo)配筋。

動力計算階段橋上無車時，橋墩橫向自振頻率、自振周期控制標(biāo)準(zhǔn)：

(1)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1-2005)第5.3.3條條文解釋中高墩(15 m≤H≤70 m)梁墩體系的橫向自振頻率f≥0.45+90/H1.3。

(2)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》2004版≥橫向自振頻率f≥α1×24×SQRT(B)/H′。H′為橋墩全高(自基底或承臺底至墩頂)；α1=0.9；B為墩身橫向平均寬度。

(3)《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊·橋梁墩臺》中，橋墩自振周期T≤0.25×SQRT(H)。H為墩底至墩頂?shù)母叨取?/p>

2 墩身尺寸設(shè)計的影響因素

(1)力學(xué)要求。圓端形空心墩必須滿足各種荷載作用下的強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求。

(2)剛度要求。眾所周知，當(dāng)橋墩較高時，位移、剛度成了決定墩身尺寸的控制因素。通過調(diào)整墩身與基礎(chǔ)之間合理的剛度比值，可使下部結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)。

(3)跨度大小?？缍炔煌?，橋墩承受的恒活載不同，列車豎向動力系數(shù)不同，墩頂縱、橫向位移容許值不同，墩頂縱向剛度限值不同等都很大程度地影響著墩身尺寸，一般情況下，跨度越大，墩身尺寸越大。

(4)速度大小。設(shè)計速度對墩身尺寸的影響主要體現(xiàn)在上下部結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的采用上。具體說來，設(shè)計速度不同，所采用的梁部就會有所不同(對墩身尺寸的影響參見本節(jié)相關(guān)論點)；橋墩設(shè)計所采用的列車活載類型(中活載、ZK活載)、墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角容許值1.0%、列車豎向動力系數(shù)計算方法、曲線離心力大小計算方法、作用位置等都會有所不同，直接影響著墩身設(shè)計。

(5)梁部類型。一般說來，雙線簡支T梁下的頂帽橫向尺寸會大于同跨度雙線整孔簡支箱梁；連續(xù)梁(如3×32 m連續(xù)梁)中墩的墩身尺寸會大于簡支梁(如32 m+32 m簡支梁)等，這些都從不同方面反映了梁型對墩身尺寸的影響。

頂帽尺寸的擬定，與所采用的梁型有關(guān)。應(yīng)考慮頂梁時千斤頂放置空間需要、維修養(yǎng)護(hù)需要及施工時分片架梁、移梁需要，支承墊石邊緣距頂帽邊緣的最小距離應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。此外，不同的梁部，橋墩檢查設(shè)備等附屬工程的設(shè)置也會有所不同。

(6)地質(zhì)條件。地質(zhì)條件對墩身尺寸的影響主要反映在對基礎(chǔ)剛度的影響上?；A(chǔ)剛度發(fā)生變化時，為滿足墩頂縱向剛度要求，墩身剛度需相應(yīng)調(diào)整：在相同墩頂縱向剛度條件下，基礎(chǔ)剛度越大，墩身就可設(shè)計得較柔些；基礎(chǔ)剛度越小，墩身則必須剛勁些；其他條件均相同時，擴(kuò)大基礎(chǔ)的墩身尺寸可設(shè)計得較樁基礎(chǔ)墩身尺寸的小。

合理選擇墩身剛度與基礎(chǔ)剛度的比例關(guān)系，是影響橋墩尺寸的重要因素。

在墩頂縱向剛度相近的條件下，墩身與基礎(chǔ)的剛度比為40∶60時，下部結(jié)構(gòu)圬工量最省。墩身剛度過小，必須加大樁間距以獲取較大的基礎(chǔ)剛度，造成承臺自重、襟邊土重的增加，單樁承載力的增大，從而影響到樁長或樁基根數(shù)；墩身剛度過大，較大的墩身尺寸、質(zhì)量、相對較小的樁間距同樣會引起單樁承載力的增大，增加樁基工程量，甚至造成墩身剛度的浪費。上述結(jié)論是在特定的地質(zhì)條件下得出的。若地質(zhì)條件變化，基礎(chǔ)剛度相應(yīng)變化，需調(diào)整墩身與基礎(chǔ)的剛度比才能使下部結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)，墩身尺寸會因此變化。

(7)線路條件。橋墩所處的線路單雙線、直曲線條件，也會影響墩身尺寸選擇。一般說來，雙線圓端形空心墩的縱橫向尺寸均較單線大，局部穩(wěn)定性差些，但截面拉應(yīng)力、墩頂位移較單線墩??；雙線橋的直曲線墩可采用相同的尺寸，單線橋曲線墩的尺寸會比直線墩大，并可視具體情況設(shè)置橫向預(yù)偏心。

3 圓端形空心墩設(shè)計中的幾個常見問題

3.1 墩身尺寸對縱向剛度的影響規(guī)律

橋墩越高，墩頂縱向剛度越難滿足規(guī)范的要求，縱向剛度成為決定圓端形空心墩尺寸的重要因素。在選取了墩身與基礎(chǔ)的合理剛度比，明確了墩本身需要達(dá)到的縱向剛度后，就可在墩頸直徑D、墩頸壁厚t、墩身直段B、墩身外坡率next、墩身內(nèi)坡nint這些主要尺寸上進(jìn)行研究比較，以期用最小的圬工獲取最大的剛度。

由表2可見，在墩身剛度>1 500 kN/cm雙線范圍內(nèi)，當(dāng)墩身圬工相同時，對墩身剛度的貢獻(xiàn)由大到小排序為：墩頸直徑D>墩身外坡next>墩身直段B>墩身內(nèi)坡nint>墩頸壁厚t。據(jù)此，可有針對性地調(diào)整墩身尺寸，使墩身設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理。

表2 Lp=32+32 m直(曲)線圓端形空心墩墩身尺寸表

3.2 單線曲線墩的橫向預(yù)偏心問題

與單線直線墩相比，曲線墩需承受來自橋面活載的離心力，當(dāng)墩身截面較小時，離心力將額外產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。為改善這種不利的受力狀態(tài)，受截面應(yīng)力、偏心控制的圓端形實體墩大多設(shè)置了橫向預(yù)偏心，利用恒載橫向偏心力矩來抵消一部分曲線離心力矩，這已為許多工程實例所應(yīng)用。

單線曲線圓端形空心墩則有所不同，在滿足墩頂位移(尤其是橫向位移)或縱向剛度的控制條件后，截面拉應(yīng)力已大幅減小，多處于混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力范圍之內(nèi)或少許超限；另一方面，曲線橫向位移計算不考慮恒載橫向偏心力矩影響，活載橫向偏心力矩產(chǎn)生的橫向位移在總位移中所占份額又較小，使得橫向預(yù)偏心的設(shè)置對減小墩頂橫向位移貢獻(xiàn)甚微。故單線曲線墩是否設(shè)置橫向預(yù)偏心，設(shè)計時應(yīng)具體情況具體對待。

3.3 線路條件對截面尺寸的影響

不同線路條件下，圓端形空心墩的截面尺寸選用一般遵循以下規(guī)律：雙線空心墩及較大跨度(如64 m)的單線空心墩，墩身尺寸受墩身縱向剛度控制，直曲線墩可采用相同的空心圓端形截面尺寸；而常用跨度單線空心墩，除可能受墩身縱向剛度或縱向位移控制外，曲線墩還可能受墩身橫向位移控制，故曲線上多采用空心圓端形截面，直線上多采用空心圓形截面。

4 結(jié)束語

綜上所述，圓端形空心墩的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)橋梁孔跨、墩高、地質(zhì)條件、墩身剛度的影響規(guī)律等因素，初步確定墩身與基礎(chǔ)的合理剛度比及墩身尺寸；再結(jié)合線路條件、梁部類型、設(shè)計速度等情況，對所擬橋墩進(jìn)行風(fēng)振、頻率、溫度應(yīng)力、位移、剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等計算；各項指標(biāo)滿足要求后，綜合考慮下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、附屬工程的布置形式、維修養(yǎng)護(hù)等需要，對墩身尺寸局部修改，作為最終的橋墩尺寸。

[1] TB 10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]

[2] TB 10002.4-2005鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[3] TB 10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[4] 鐵運(yùn)函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規(guī)范[S]

[5] 鐵道部第四勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊：橋梁墩臺[M].中國鐵道出版社，1997

[6] 鐵建設(shè)[2005]140號 新建時速200—250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S]

[7] 鐵建設(shè)函[2005]285號 新建時速200公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S]