橋梁墩頂位移限值研究綜述及個例分析

蔡邦國， 陳偉敏

(浙江溫州沈海高速公路有限公司， 浙江 溫州　325002)

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橋梁墩頂位移限值研究綜述及個例分析

蔡邦國， 陳偉敏

(浙江溫州沈海高速公路有限公司， 浙江 溫州325002)

摘要：橋梁墩頂位移是橋梁安全的重要參數(shù)之一，對其進行深入研究十分必要。目前國內(nèi)外各類規(guī)范對橋墩位移的限值規(guī)定不盡相同，也不夠全面，為此對相關(guān)規(guī)范進行了深入細致的比較分析。結(jié)合某高速公路高架橋與海堤疊交段橋墩容許位移進行了探討，參考國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范以及文獻，對橋梁墩頂位移限值進行計算，并對不同規(guī)范的計算值進行比較分析。對橋梁墩頂位移限值的討論與分析可為類似工程方案設(shè)計、施工工序選擇以及工后監(jiān)測提供重要參考。

關(guān)鍵詞：橋梁； 墩頂位移； 限值； 規(guī)范

0前言

在高架橋的設(shè)計建造中，墩臺的位移(包括豎向沉降和水平位移)是需要特別關(guān)注的參數(shù)之一。墩臺基礎(chǔ)的不均勻沉降會在橋墩支座位置產(chǎn)生變坡點，其在水平方向的位移將使橋面發(fā)生水平轉(zhuǎn)折。過大的墩臺位移一方面會使橋面不夠平順，影響行車的安全度和舒適度，另一方面也會使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力以致影響到橋梁安全。因此，需要對橋梁基礎(chǔ)的沉降及水平位移給予一定的限值，以保證墩臺發(fā)生位移后，橋頭坡度或橋上線路的改變不致影響到橋梁的安全及車輛的安全行駛。

實際工程中，橋墩常常受到周圍其他工程的影響，導(dǎo)致一定程度的水平位移和沉降。然而，這些位移應(yīng)控制在多大范圍？目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁基礎(chǔ)位移限值有一定研究[1-4]，一些規(guī)范也做了相關(guān)規(guī)定[5-11]。但是，相關(guān)橋梁規(guī)范對橋墩位移的限值規(guī)定并不全面，比如，文獻[5]中關(guān)于橋梁墩頂位移限值的規(guī)定主要是墩臺沉降，對橫橋向和順橋向位移則沒有明確。而且，對墩臺基礎(chǔ)不均勻沉降限值、墩頂橫橋向或順橋向位移限值在不同的地質(zhì)條件下到底如何取值存在爭議。因此，研究橋梁墩頂位移限值并為設(shè)計提供依據(jù)十分必要。

本文對國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范中關(guān)于橋墩位移的規(guī)定進行了系統(tǒng)總結(jié)，并對一些學(xué)者的相關(guān)研究進行了分析，探討了高速公路高架橋橋墩的合理位移限值。最后，針對某高速公路高架橋橋梁墩頂位移限值采用幾種方法進行了計算及分析。

1墩頂位移限值研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)研究

國內(nèi)不少學(xué)者對橋梁基礎(chǔ)及類似結(jié)構(gòu)的位移限值進行了相關(guān)研究。郭新偉[3]采用水平折角的限值反算得到高速鐵路橋梁墩頂橫橋向水平位移控制值。孫樹禮等[4]對國內(nèi)外部分鐵路橋梁墩頂橫向位移的限值進行比較研究，并選取3條有代表性的既有鐵路線對比分析其墩頂位移值，認為現(xiàn)有鐵路橋梁規(guī)范中有關(guān)位移限值的規(guī)定是合理的，建議橋墩橫向水平位移限值宜通過相鄰結(jié)構(gòu)物之間的水平折角的限值來表示。

國內(nèi)對橋梁墩頂位移的研究較多，而且，尤以針對鐵路橋的居多，但是，針對高速公路橋梁的相關(guān)研究則較少。胡槿初[12]系統(tǒng)總結(jié)了鐵路橋梁墩頂水平位移限值的發(fā)展演變過程。嚴盛強[13]對公路剛性基礎(chǔ)高橋橋墩采用上端彈性約束下端固定的計算模型分析墩頂位移，得到了計算剛性基礎(chǔ)高橋橋墩墩頂位移的公式。陳殿邦[14]從能量法原理出發(fā)，得到了雙薄壁高墩的墩頂位移計算公式，同時認為墩高較高時必須考慮二階效應(yīng)。

張靜元和馬科萌[15]利用有限元方法研究了基坑不同開挖深度對橋墩、樁基礎(chǔ)和周圍土體的影響。王俊杰等[16]利用三維有限元對大規(guī)模超長群樁基礎(chǔ)工作性能的數(shù)值模擬，研究了樁基礎(chǔ)的位移性狀。陳剛等[17]研究了跨線橋樁基施工對既有高速公路影響。蔣順強等[18]對路堤分層填筑碾壓過程中橋臺上的土壓力和位移進行現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果顯示，碾壓對豎向土壓力幾乎沒有影響，但大大增加了水平土壓力。

雖然國內(nèi)學(xué)者對橋梁基礎(chǔ)及墩頂位移做了一定的研究，但是針對墩頂位移的具體規(guī)范還不是很明確，尤其是關(guān)于公路橋橫橋向和順橋向位移的研究還相對較少，不能滿足工程應(yīng)用的要求。相比之下，鐵路橋的相關(guān)規(guī)范的規(guī)定比較明確具體。

國內(nèi)規(guī)范對橋梁墩頂位移限值的一些規(guī)定列舉如下。

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63-2007)[5]第4.3.3條規(guī)定，相鄰墩臺之間的不均勻沉降差值(不包括施工中的沉降)，不應(yīng)使橋面形成大于0.2%的附加縱坡(折角)。同時，外超靜定結(jié)構(gòu)橋梁墩臺間的不均勻沉降差值還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的受力要求。

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621-2009)[8]第7.3.9條首先對墩臺橫向水平線剛度作了原則性的規(guī)定，指出鐵路橋梁墩臺橫向水平線剛度應(yīng)符合高速行車條件下列車安全性和旅客乘車舒適度的要求，同時還應(yīng)對最不利荷載作用下橋梁墩臺頂?shù)臋M向彈性水平位移進行計算。特別地，在ZK活載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度等荷載作用下，橋梁墩頂?shù)臋M向水平位移所引起的橋面處梁端水平折角應(yīng)不大于0.1%弧度。梁端水平折角如圖1所示。

圖1　梁端水平折角示意圖

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621-2009)[8]第7.3.10條指出墩臺基礎(chǔ)的沉降應(yīng)按橫載計算，同時，還明確了鐵路橋梁墩臺基礎(chǔ)的工后沉降量不應(yīng)超過表1中限值。此外，超靜定結(jié)構(gòu)相鄰墩臺間的沉降差除應(yīng)符合規(guī)定外，尚應(yīng)根據(jù)沉降差對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響最終確定。靜定結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)的工后沉降限值列于表1中。

表1 文獻[8]對墩臺基礎(chǔ)沉降限值規(guī)定沉降類型橋上軌道類型限值/mm墩臺均勻沉降有砟軌道30無砟軌道20相鄰墩臺沉降差有砟軌道15無砟軌道5

《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.5-2005)[10]第3.2.1條指出，應(yīng)按恒載計算橋涵基礎(chǔ)的沉降。對靜定結(jié)構(gòu)的墩臺總沉降量與墩臺施工完成時的沉降量之差規(guī)定如下容許值：對于有碴橋面橋梁，墩臺均勻沉降量容許值不得大于8 cm，相鄰墩臺均勻沉降量之差不得大于4 cm。對于明橋面橋梁，墩臺均勻沉降量不得大于4 cm，相鄰墩臺均勻沉降量之差不得大于2 cm。超靜定結(jié)構(gòu)在確定其相鄰墩臺均勻沉降量之差的容許值時尚應(yīng)考慮沉降對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響。

1.2國外研究

Martin等[19]對6種不同結(jié)構(gòu)形式的公路橋梁進行了地震響應(yīng)的反應(yīng)譜分析，通過對比有無豎向變形時地震響應(yīng)的結(jié)果差異來研究豎向變形對公路橋梁地震響應(yīng)的影響。Pan[20]研究了公路連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的地震易損性，考慮了材料強度、橋梁重量、伸縮縫尺寸等不確定性因素，認為非線性和多變量回歸分析比常規(guī)線性回歸更適合橋梁響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析。Kwan等[21]針對后張無粘結(jié)混凝土橋墩的單調(diào)和循環(huán)荷載進行了分析，提出了一種準(zhǔn)則用于改進現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，該準(zhǔn)則同時適用于常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和后張無粘結(jié)橋梁結(jié)構(gòu)。

日本和歐洲各國規(guī)范主要采用墩臺橫向水平位移之差所引起的相鄰結(jié)構(gòu)物軸線間水平折角形式來作為橋墩橫向水平位移限值。各國規(guī)范對水平折角的限值規(guī)定有一定差別，部分國外規(guī)范對墩臺位移限值規(guī)定列舉如下。

為便于查閱，將國內(nèi)外規(guī)范對橋梁墩頂位移限值的規(guī)定匯總列于表2中。

表2 規(guī)范規(guī)定的橋梁墩頂位移限值規(guī)范位移限值墩臺基礎(chǔ)位移(或折角)限值公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[5]相鄰墩臺沉降差0.2%(折角)公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[6]水平位移限值5L(mm)墩臺總沉降值20L(mm)相鄰墩臺沉降差10L(mm)城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[7]水平位移限值5L(mm)墩臺總沉降值20L(mm)相鄰墩臺沉降差10L(mm)高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[8]橫橋向位移限值0.1%(折角)均勻沉降量30/20(mm)相鄰墩臺沉降差15/5(mm)鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[9]橫橋向位移限值0.15%/0.1%(折角)順橋向位移限值5L(mm)墩臺總沉降值80/40(mm)相鄰墩臺沉降差40/20(mm)鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[10]墩臺均勻沉降量80/40(mm)相鄰墩臺沉降差40/20(mm)地鐵設(shè)計規(guī)范[11]橫橋向位移限值4L(mm)順橋向位移限值5L(mm)墩臺總沉降值50(mm)相鄰墩臺沉降差20(mm)日本規(guī)范[22]橫橋向位移限值0.35%～0.4%(折角)德國規(guī)范[23]橫橋向位移限值0.1%(折角)歐盟規(guī)范[24]橫橋向位移限值0.15%/0.2%(折角)

2個例分析

2.1工程概況

某高速公路高架橋梁與海堤疊交段，海堤填筑荷載對橋梁基礎(chǔ)位移有重要影響，雖對其位移進行了計算分析，但找不到合適的規(guī)范給出合適的位移容許值?；诖?，本文進行了相應(yīng)分析探討。高架橋梁與海堤疊交布置圖如圖2所示。

圖2　橋梁與海堤交叉段設(shè)計圖

海堤堤身典型橫斷面寬度為175 m，堤頂高程為7.4 m，外海側(cè)堤身采用拋石填筑，圍區(qū)側(cè)海堤吹填閉氣土，拋石區(qū)堤身下方地基設(shè)有100 m寬24 m深的塑料排水板以加快地基土的排水固結(jié)，子堤填筑拋石。與海堤交叉的高速公路橋梁主跨跨徑為135 m，邊跨跨徑為75 m，主連續(xù)梁外海側(cè)與50 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁相連接，主連續(xù)梁圍區(qū)側(cè)與45 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁相連接。橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，主橋墩樁基礎(chǔ)設(shè)計樁長91 m，每個主橋墩樁基礎(chǔ)有19根樁，樁徑2.2 m，樁距5.8 m，梅花形布置。邊墩樁基礎(chǔ)設(shè)計樁長85 m，各有12根樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m，樁距4 m。鉆孔揭示，橋梁與海堤交匯段，地基的軟土覆蓋層超過60 m厚，地質(zhì)分層主要為淤泥質(zhì)粘土、粘土層及砂卵石層，主橋樁伸入砂卵石層約30 m。

高速公路橋梁斜跨海堤，按照高速公路與海堤各自的設(shè)計施工進度，兩工程交叉段的施工工期較為接近。且海堤先期施工，地基固結(jié)沉降在海堤施工結(jié)束后將會持續(xù)很長的一段時間，海堤的沉降對橋墩水平位移及沉降帶來的影響。這種影響是否是橋梁所能承受的，需要研究，因此，必須給出橋墩的位移限值。

2.2橋梁墩頂位移限值的計算比較

如前所述，橋梁與海堤交叉段橋梁結(jié)構(gòu)形式是三跨連續(xù)梁橋，主梁是超靜定結(jié)構(gòu)，墩臺的位移會引起梁體各孔內(nèi)力發(fā)生變化。因此橋樁橋墩的位移控制首先必須滿足材料強度、結(jié)構(gòu)受力要求。下面利用不同規(guī)范，計算該高架橋橋墩位移限值，并進行比較。

對《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》、《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》、歐盟規(guī)范、德國規(guī)范、日本規(guī)范等國內(nèi)外規(guī)范，并沒有直接規(guī)定水平位移限值，而是規(guī)定了折角的限值。為得到這些規(guī)范對應(yīng)的水平位移限值，便于不同規(guī)范的比較，這里利用文獻[3]建議的方法依據(jù)梁端水平折角的限值來反算橋墩墩頂?shù)臋M向水平位移控制值。文獻[3]的方法是假設(shè)目標(biāo)橋墩相鄰一孔(聯(lián))梁的另一側(cè)梁端處的橋墩墩頂橫向水平位移為零，從而得到橋墩墩頂橫向水平位移限值Δ公式[3]：

(1)

式中，α0為梁端水平折角限值，rad；L1、L2為目標(biāo)橋墩相鄰兩孔(聯(lián))梁的交點距，m；Δ為橋墩墩頂橫向水平位移限值，mm。

本節(jié)研究擬從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及國內(nèi)外科研機構(gòu)等的研究成果中總結(jié)分析得到本工程主橋墩及邊墩墩頂位移限值。由于橋梁結(jié)構(gòu)形式的多樣化，規(guī)范并沒有對每一種橋梁類型都制定相應(yīng)的墩頂位移限值，多以簡支梁橋為例。因此，本節(jié)位移限值的選取參照了簡支梁橋的一些規(guī)定。另外，計算位移限值時，橋梁跨徑的取值按橋墩左右兩跨中較小跨徑取用，即計算主橋墩位移限值時，橋梁跨度按75 m取用；計算邊墩位移限值時，橋梁跨度按50 m及45 m取用。

《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63-2007)第4.3.3條規(guī)定相鄰墩臺間不均勻沉降差值(不包括施工中的沉降)，不應(yīng)使橋面形成大于0.2%的附加縱坡(折角)[5]。計算得本例中主橋墩和邊墩的工后不均勻沉降差限值均為15 cm。

借鑒日本鐵路規(guī)范關(guān)于鐵路軌道面折角的規(guī)定，對應(yīng)于時速160 km/h水平折角限值為0.35%～0.4%，計算得本例中主橋墩橫橋向水平位移限值為16.8 cm，邊墩橫橋向水平位移限值為10.5 cm(外海側(cè)邊墩)和9.8 cm(圍區(qū)側(cè)邊墩)。這顯然比前述我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的橋墩橫向水平位移的限值要大。

各個規(guī)范對墩頂位移限值的規(guī)定不盡相同，在此就不再一一贅述，僅列出根據(jù)各個規(guī)范計算得到的位移限值結(jié)果，見表3。

表3 依據(jù)部分規(guī)范計算的墩頂位移限值cm規(guī)范位移限值主橋墩圍區(qū)側(cè)邊墩外海側(cè)邊墩公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[5]相鄰墩臺沉降差151515文獻[6,7]水平位移限值4.33.43.5總沉降量17.313.414.1相鄰墩臺沉降差8.78.78.7高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[8]橫橋向位移限值4.82.83.0均勻沉降量3.03.03.0相鄰墩臺沉降差1.51.51.5鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[9]橫橋向位移限值4.82.83.0順橋向位移限值4.33.43.5沉降量8.08.08.0相鄰墩臺沉降差4.04.04.0地鐵設(shè)計規(guī)范[11]橫橋向位移限值3.52.72.8順橋向位移限值4.33.43.5沉降量5.05.05.0相鄰墩臺沉降差2.02.02.0日本規(guī)范[22]橫橋向位移限值16.89.810.5德國規(guī)范[23]橫橋向位移限值4.82.83.0歐盟規(guī)范[24]橫橋向位移限值9.65.66.0

據(jù)表3可以看出，對于墩臺橫橋向水平位移，日本規(guī)范的限定相對較寬松，而德國規(guī)范的限定與我國《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》一致，均為0.1%的折角限值，相比我國現(xiàn)行的其他規(guī)范略嚴格。

對于墩臺豎向沉降，《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63-2007)相比其他規(guī)范對相鄰墩臺沉降差的要求要低，為15 cm，位移限值可能過大而達不到高速公路高架橋功能性、安全性的要求。但是，按《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》和《地鐵設(shè)計規(guī)范》計算得到的相鄰墩臺沉降差分別為1.5 cm和2.0 cm，可能過于保守。對高速鐵路橋梁橫橋向位移，郭新偉[3]研究了在孔跨組合隨機變化、墩頂橫向位移差隨機變化的情況下，連續(xù)梁中間墩處的梁端水平折角的變化，提出反算連續(xù)梁邊墩的墩頂橫向水平位移限值修正公式：

(2)

式中，Lc為與連續(xù)梁相接的簡支梁的交點距，m；Δb為連續(xù)梁邊墩墩頂橫向水平位移限值，mm。

文獻[3]提出的反算連續(xù)梁中墩的墩頂橫向水平位移限值修正公式[3]：

(3)

式中，P1為連續(xù)梁中跨跨度，m；P2為連續(xù)梁邊跨跨度，m；ΔZ為連續(xù)梁中墩墩頂橫向水平位移限值，mm。

這里，運用上述墩頂位移限值反算修正算法，取與連續(xù)梁相接的簡支梁交點距為引橋跨徑，連續(xù)梁跨徑按設(shè)計跨徑取值，得到本工程預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁外海側(cè)邊墩、主橋墩、圍區(qū)側(cè)邊墩墩頂橫向水平位移限值，如表4所示。

表4 依據(jù)文獻[3]計算的墩頂位移限值cm橋墩位置橫向水平位移限值外海側(cè)邊墩2.50主橋墩外海側(cè)1.84圍區(qū)側(cè)1.66圍區(qū)側(cè)邊墩2.25

從上節(jié)分析可知，對于本工程實例，不同規(guī)范得到的墩頂位移限值不盡相同，且差異很大。鐵路規(guī)范總體比公路規(guī)范規(guī)定的位移限值要小，其中，高速鐵路規(guī)范的位移限值最嚴格。本工程橋梁為高速公路橋梁，借用高速鐵路規(guī)范的位移限值似太嚴格。文獻[6]稱適用“各級公路”，而文獻[7]則是針對城市橋梁，盡管它們都同時建議了墩頂(相同的)各類位移限值，但是，這兩個規(guī)范建議值能否適用于高速公路橋梁，作者認為需要深入研究論證。因此，這里從偏于安全角度考慮，建議按照鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范規(guī)定的位移限值取用。

3結(jié)語

本文總結(jié)了國內(nèi)外對橋梁墩頂位移限值的研究現(xiàn)狀以及不同規(guī)范關(guān)于墩頂位移限值的規(guī)定，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外規(guī)范對橋梁墩頂位移限值的規(guī)定并不全面，不同規(guī)范相差較大，且沒有針對高速公路橋梁的規(guī)定。針對某高速公路橋梁與海堤疊交段的橋梁，采用不同規(guī)范確定其墩頂位移限值，進行了比較分析。根據(jù)本工程橋梁的情況，作者建議其位移限值暫參照一般的鐵路橋的限值取用。

另外，本工程的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)形式為大跨度連續(xù)箱梁，屬于超靜定結(jié)構(gòu)，位移限值同時應(yīng)根

據(jù)變形對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響而定。

針對高速公路橋梁，應(yīng)進行深入研究，提出適合其工作性能的橋墩位移限值。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0182-06

收稿日期:2015-12-14

作者簡介:蔡邦國( 1974-) ，男，高級工程師，碩士學(xué)位，研究方向為: 工程建設(shè)及管理。

中圖分類號：U 442.5

文獻標(biāo)識碼：A