連續(xù)剛構(gòu)橋高墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及選型研究

張 揚(yáng)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁院，北京 102600)

連續(xù)剛構(gòu)橋高墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及選型研究

張 揚(yáng)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁院，北京 102600)

隨著我國山區(qū)鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，高墩大跨橋梁的應(yīng)用更加廣泛。為了研究高墩設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，以準(zhǔn)朔鐵路大沙溝橋剛構(gòu)主墩為工程背景，對(duì)墩身縱、橫向剛度，墩頂彈性水平位移以及高墩的穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)論述，介紹不同墩身截面形式的構(gòu)造特點(diǎn)和適用范圍，對(duì)剛構(gòu)墩不同的橫向墩身結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)大沙溝橋橫向墩型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。總結(jié)了高墩設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，為類似高墩橋的設(shè)計(jì)及墩型選擇提供參考。

鐵路橋；連續(xù)剛構(gòu)橋；高墩；剛度；穩(wěn)定性

1 概述

近年來隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，線路穿越的山區(qū)溝壑地帶需要修建更多橋梁，使得高墩大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用更加廣泛。這種橋梁結(jié)構(gòu)具有跨越能力大，養(yǎng)護(hù)工作量小，懸臂灌注節(jié)約機(jī)具和臨時(shí)輔助設(shè)施，減少體系轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)。準(zhǔn)朔鐵路大沙溝特大橋，地處低中山區(qū)黃土坡及沙溝谷地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜且地面相對(duì)高差大。根據(jù)當(dāng)?shù)靥厥獾牡匦翁攸c(diǎn)、施工難易程度、工程造價(jià)及施工周期等因素，該橋孔跨布置為：10-32 m簡(jiǎn)支T梁+2-(60+3×100+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁+(8-64 m+1-48 m+1-64 m)節(jié)段拼裝簡(jiǎn)支箱梁，大橋全長(zhǎng)1834.080 m。大沙溝橋墩高差別較大，17號(hào)、18號(hào)剛構(gòu)墩達(dá)到106 m，超高墩的選型是該連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，大橋立面布置見圖1。

圖1 大沙溝橋主橋2-(60+3×100+60) m剛構(gòu)連續(xù)梁立面布置(單位：cm)

百米以上高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)，除了需要進(jìn)行傳統(tǒng)的應(yīng)力及強(qiáng)度檢算外，更關(guān)鍵的控制因素有墩身縱、橫向剛度，墩頂彈性水平位移及高墩的穩(wěn)定性等。以大沙溝橋主橋17號(hào)剛構(gòu)墩為工程背景，在滿足高墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)條件下，對(duì)如何確定合理的墩身截面形式以及橫向墩身類型進(jìn)行了深入對(duì)比研究。

2 高墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 墩身縱、橫向剛度

高墩設(shè)計(jì)中，墩身剛度往往是控制設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。剛構(gòu)墩柱與梁體的彎矩分配決定于兩者的相對(duì)剛度，且梁體的收縮、徐變及溫度應(yīng)力與剛構(gòu)墩柱的抗推剛度也直接相關(guān)。橋墩的剛度大則其分得的內(nèi)力大，不能有效地發(fā)揮梁身的抗彎能力，而且使得梁在墩頂處的受力很大，達(dá)不到降低墩頂負(fù)彎矩的目的。此外，梁體懸臂施工過程中產(chǎn)生的不平衡彎矩，要求橋墩具備一定的抗彎、抗扭剛度。合適的墩梁剛度比既能滿足全橋的縱向剛度，又能改善梁體的內(nèi)力分布，充分發(fā)揮材料的受力性能。

在相同墩頂縱向剛度條件下，基礎(chǔ)剛度大，墩身就可以設(shè)計(jì)的較柔些；基礎(chǔ)剛度越小，墩身則必須設(shè)計(jì)剛勁些。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，為滿足墩頂縱向剛度要求，墩身剛度則需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。因此，為減少下部結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁的縱向變形約束，橋梁墩身和基礎(chǔ)的縱向抗推剛度應(yīng)較小。

剛構(gòu)橋墩的橫橋向約束一般相對(duì)較弱，在橫向不平衡荷載作用下，橋梁易產(chǎn)生扭曲、變位，為增大其橫向穩(wěn)定性，下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度應(yīng)滿足一定要求。設(shè)計(jì)中橫向剛度一般采用控制結(jié)構(gòu)自振頻率為主，參考南昆鐵路四橋設(shè)計(jì)的要求，以其第一橫向自振周期不大于T=1.7 s控制[1-3]。

可見，在能使橋梁結(jié)構(gòu)有一定縱向柔度的同時(shí)，橫向剛度較大并能滿足相關(guān)要求是橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要達(dá)到的目標(biāo)，此時(shí)連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與連續(xù)梁很接近。

2.2 墩頂彈性水平位移

對(duì)墩頂彈性水平位移的限制，是要求橋墩具有足夠的水平剛度，以保證運(yùn)營時(shí)線路穩(wěn)定，列車得以迅速安全通過。連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂位移量往往成為墩身截面設(shè)計(jì)的又一個(gè)控制條件。

墩頂縱向水平位移是與墩身縱向剛度密切相關(guān)的，如果縱向剛度過大，則會(huì)增加混凝土收縮、徐變、制動(dòng)力、溫度力、活載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力；縱向剛度如果過小，則會(huì)增加墩頂水平位移量。同樣，墩頂?shù)臋M向水平位移是控制橋梁橫向剛度的要求之一。

2.3 墩身的穩(wěn)定性

墩身穩(wěn)定性是高墩設(shè)計(jì)中必須要滿足的又一個(gè)關(guān)鍵條件。與實(shí)體墩相比，薄壁空心墩能用較少的材料數(shù)量獲得較大的截面抵抗慣性矩，既能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，又滿足墩身剛度要求。薄壁墩的局部穩(wěn)定，可以通過限制壁厚與邊長(zhǎng)的比值來得以保證，局部穩(wěn)定從實(shí)驗(yàn)分析得出，當(dāng)壁厚t≥(1/10～1/15)b時(shí)，一般空心墩可不設(shè)置隔板(b為薄壁矩形空心墩板寬)[7]。

此外，薄壁空心墩當(dāng)墩身超過40 m時(shí)墩壁不宜太薄，厚壁墩與薄壁墩相比，薄壁空心墩混凝土數(shù)量較少，但鋼筋用量較多，且增加施工難度，穩(wěn)定性不易保證。

3 墩身橫截面形式的選擇

工程實(shí)踐中，為了滿足墩身強(qiáng)度、剛度、墩頂水平位移和墩身穩(wěn)定性等要求，連續(xù)剛構(gòu)主墩橫截面形式多采用矩形空心墩和雙薄壁墩。有些跨江河大橋，由于地質(zhì)條件需要還可設(shè)計(jì)為矩形空心墩漸變至圓端形空心墩。矩形空心墩和雙薄壁墩分別具有如下特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的截面形式。

(1)矩形空心墩的抗扭能力好，抗推能力強(qiáng)，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)比較大，但其柔度不及雙薄壁墩；雙薄壁墩的抗彎能力較大，墩身允許的水平位移大，但隨著墩身高度的增加，矩形空心墩的柔度逐漸增強(qiáng)，允許的縱向變位增大。

(2)當(dāng)墩柱不是特別高時(shí)，雙薄壁墩間保持一定的距離，構(gòu)成較大的整體抗彎剛度，同時(shí)其縱橋向抗推剛度較小，可減少墩柱對(duì)橋跨梁體的約束，雙薄壁墩提供的反力能削弱梁體力矩的峰值，具有較明顯的“削峰”作用[8]。

(3)矩形空心墩施工階段安全程度高于雙薄壁墩，而主梁懸臂澆筑階段，雙薄壁墩的安全程度高于矩形空心墩。

(4)當(dāng)剛構(gòu)墩墩高不小于100 m時(shí)，矩形空心墩在較好滿足縱向柔度的同時(shí)，并提供了相當(dāng)大的橫向剛度。雙薄壁墩則需要設(shè)計(jì)為較大的橫向截面形式，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不如矩形空心墩[9-11]。

經(jīng)對(duì)比研究，大沙溝特大橋剛構(gòu)主墩采用矩形空心墩。矩形空心墩較雙薄壁墩對(duì)提高橫向剛度更為有利，并且本橋剛構(gòu)墩高達(dá)到百米以上，矩形空心墩能提供較好縱向柔度，使之更接近連續(xù)梁。為了保證橋墩有足夠的橫向剛度，并滿足墩身強(qiáng)度和墩頂位移要求，墩頂處縱橋向和橫橋向尺寸均設(shè)計(jì)為8 m，壁厚設(shè)計(jì)為1.5 m，截面設(shè)置圓弧倒角過渡，空心墩的局部穩(wěn)定性得以保證，不需設(shè)置隔板。如圖2所示。

圖2 大沙溝橋剛構(gòu)墩墩頂截面形式(單位：cm)

4 橫向墩型的確定

4.1 A形墩和變寬板形墩對(duì)比研究

山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋工程量巨大，景觀效果突出，墩型選擇應(yīng)與環(huán)境相協(xié)調(diào)。連續(xù)剛構(gòu)主墩橫向墩型一般設(shè)計(jì)為A形和變寬板形兩種形式。A形墩即采用一次放坡形式，這種墩型的優(yōu)點(diǎn)是混凝土方量少，施工簡(jiǎn)捷，但如果要滿足墩身橫向剛度要求，則需要相當(dāng)大的基礎(chǔ)剛度。變寬板形墩即墩身橫向采用兩次放坡形式，即倒掃帚形，上部較陡，下部較緩，這種墩形所需要的混凝土方量較A形墩大，但對(duì)基礎(chǔ)剛度的要求不高。如圖3所示。

圖3 大沙溝橋剛構(gòu)主墩橫向墩型對(duì)比(單位：cm)

大沙溝橋剛構(gòu)墩設(shè)計(jì)中采用A形和變寬板形兩種墩身橫向結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比檢算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同墩身橫向結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

顯然對(duì)于大沙溝橋所處的地質(zhì)條件，為滿足全橋橫向剛度和主橋上、下部結(jié)構(gòu)的傳力要求，剛構(gòu)主墩橫向采用變寬板形墩。

4.2 變寬點(diǎn)高度研究

變寬板形墩橫向變寬點(diǎn)的高度，對(duì)墩身混凝土方量和橫向剛度都有很大影響，本文對(duì)大沙溝橋剛構(gòu)墩采用不同變寬點(diǎn)高度進(jìn)行檢算，將其各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，見表2。

表2 不同變寬點(diǎn)墩身設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

由表2可見，當(dāng)變寬點(diǎn)在1/2墩高處附近時(shí)，墩身圬工量偏大，自振頻率偏小，各項(xiàng)指標(biāo)較相關(guān)規(guī)范規(guī)程很富余，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差。變寬點(diǎn)高度設(shè)置在1/4墩高時(shí)，墩身圬工量少，但其自振頻率比較接近規(guī)范規(guī)程要求，若基礎(chǔ)剛度略有變動(dòng)，則墩身尺寸需要重新設(shè)計(jì)。因此，變寬點(diǎn)高度設(shè)置在1/3墩高時(shí)，其自振頻率、墩身混凝土方量和墩頂水平位移值均處在一個(gè)相對(duì)合理的位置，對(duì)基礎(chǔ)剛度沒有過高要求，因此大沙溝橋剛構(gòu)主墩橫向變寬點(diǎn)設(shè)置在1/3墩高位置。

4.3 變寬板形墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)

剛構(gòu)墩橫向變寬板形的結(jié)構(gòu)形式，目前已建和在建橋梁有如下幾種常見的設(shè)計(jì)方案(圖4)。

方案一：外坡采用兩次變坡形式，在墩頂以下70 m采用35∶1，70 m至承臺(tái)頂采用5∶1，內(nèi)坡采用70∶1的一次變坡形式，內(nèi)昆鐵路李子溝特大橋剛構(gòu)主墩的橫向構(gòu)造采用這種設(shè)計(jì)方案。

方案二：內(nèi)外坡均采用雙變坡形式，墩頂以下70 m外坡采用35∶1、內(nèi)坡采用70∶1；70 m至承臺(tái)頂外坡采用5∶1，內(nèi)坡采用8∶1。此種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于方案一，在保證橫向剛度的同時(shí)節(jié)省了混凝土圬工，減輕了墩身自重，優(yōu)化了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

方案三： 在方案二的基礎(chǔ)上，墩身理論變坡點(diǎn)處外坡設(shè)計(jì)采用R=120 m的圓弧過渡，內(nèi)坡設(shè)計(jì)了R=100 m的圓弧過渡，優(yōu)化了墩身線形，增強(qiáng)了與山區(qū)環(huán)境的景觀效果。

方案四： 墩頂以下20 m采用1∶0直坡形式，20 m至承臺(tái)頂外坡采用R=407.794 4 m的圓曲線直承臺(tái)頂，內(nèi)坡采用R=678.091 4 m的圓曲線至實(shí)體段上。蘭渝線新井口嘉陵江四線特大橋(84+152+76) m連續(xù)剛構(gòu)橋的剛構(gòu)主墩橫向采用這種設(shè)計(jì)方案。這種結(jié)構(gòu)橫向墩形變化沒有突變，但山區(qū)高墩一般采用滑模或者翻模法施工，施工模板較為復(fù)雜。

圖4 不同墩身橫向結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)方案(單位：cm)

大沙溝橋剛構(gòu)主墩橫向結(jié)構(gòu)形式采用了方案三，墩身內(nèi)外壁雙向變坡，減少了混凝土的工程量，設(shè)置圓弧倒角過渡，使墩形變化漸緩，增強(qiáng)了景觀效果；墩身橫向具有明確變寬點(diǎn)，墩形簡(jiǎn)潔，山區(qū)施工方便。

5 結(jié)論

超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中，高墩的選型一般是該類橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。以準(zhǔn)朔鐵路大沙溝特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)剛構(gòu)橋高墩設(shè)計(jì)的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并對(duì)該橋剛構(gòu)墩截面形式、橫向墩身類型的選擇做了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

(1)矩形空心墩的抗扭能力好，抗推能力強(qiáng)，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)比較大，雙薄壁墩柔度較好，且具有明顯減小墩頂負(fù)彎矩的作用，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的截面形式。

(2)為滿足墩身局部穩(wěn)定性的要求，空心墩壁厚需要滿足t≥(1/10～1/15)b(b為矩形截面板寬)，則可不設(shè)置隔板。為控制墩身圬工量，壁厚也不宜設(shè)置過厚，否則會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。

(3)剛構(gòu)墩的A形墩墩身橫向剛度較小，為滿足全橋橫向剛度要求，對(duì)基礎(chǔ)剛度要求較高；變寬板形墩則對(duì)基礎(chǔ)剛度沒有過高要求。

(4)變寬板形墩變寬點(diǎn)宜設(shè)置在1/3墩高處，并在變寬點(diǎn)處設(shè)置圓弧過渡，這樣可使墩身圬工量、橫向剛度及墩頂位移達(dá)到相對(duì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

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Key Technology and Model Selection in Design of High-pier for Continuous Rigid Frame Bridge with High Pier

ZHANG Yang

(Bridge Design & Research Institute， China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600)

2014-01-02；

：2014-01-20

張 揚(yáng)(1983—)，女，工程師，2008年畢業(yè)于中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，工學(xué)碩士，E-mail：zybest8377@163.com。

1004-2954(2014)09-0085-04

U443.22

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.021