大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩結(jié)構(gòu)形式方案研究

楊 斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩結(jié)構(gòu)形式方案研究

楊 斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩除了需要滿足結(jié)構(gòu)以及施工運(yùn)營(yíng)階段的最小縱、橫向剛度要求外，應(yīng)盡可能使其具有較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度，同時(shí)使其經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。以興保鐵路安家山河大橋剛壁墩為工程背景，論述大跨高墩設(shè)計(jì)中的控制因素及要求。分析比較A形墩、矩形空心墩和雙薄壁墩的構(gòu)造特點(diǎn)及適用條件，對(duì)安家山河大橋剛壁墩不同墩形的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行深入的研究比較，并對(duì)其剛壁墩選型提出合理建議。研究表明，對(duì)于大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，當(dāng)相鄰剛壁墩墩高相差過大時(shí)，矩形空心墩和雙薄壁墩在更好地提供縱向柔度的同時(shí)，其縱向剛度匹配合理，且墩身圬工量較省。

連續(xù)剛構(gòu)橋 高墩 剛度 縱向柔度 圬工量

安家山河大橋?yàn)榕d保鐵路馮家川站內(nèi)四線橋，為跨越安家山河而設(shè)。本橋四線均為重載，各線從左至右線間距分別為5.5 m+5 m+5.3 m，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km，處于直線和1‰的上坡段，地震基本烈度Ⅵ度。橋址區(qū)位于黃土峁梁區(qū)、地形起伏大，沖溝發(fā)育。安家山河河底較寬，兩岸地形復(fù)雜，縱橫向坡度陡，主橋采用(80+130+80) m剛構(gòu)連續(xù)梁，橋面寬22.8 m，兩個(gè)剛壁墩墩高分別為85 m和32 m，墩高相差大。為保證結(jié)構(gòu)整體受力合理，兩個(gè)剛壁墩的選型是該連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，其立面布置如圖1所示。

圖1 安家山河大橋(80+130+80) m剛構(gòu)連續(xù)梁立面布置(單位：cm)

對(duì)于鐵路高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩的設(shè)計(jì)，除了需要檢算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及強(qiáng)度外，還需要對(duì)墩身縱橫向剛度、墩頂彈性水平位移及高墩的穩(wěn)定性加以特別關(guān)注。以安家山河大橋的兩個(gè)剛壁墩為工程背景，在滿足高墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)條件下，深入研究分析了合理的橋墩結(jié)構(gòu)形式。

1 高墩設(shè)計(jì)中的控制因素

1.1 墩身剛度

高墩的墩身縱、橫向剛度是設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵因素。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋來說，梁體本身與剛壁墩柱所承擔(dān)的彎矩取決于兩者的相對(duì)剛度，而且剛壁墩柱的抗推剛度與梁體的收縮、徐變及溫度應(yīng)力也直接相關(guān)。墩身剛度越大，所分擔(dān)的內(nèi)力就越大，剛壁墩墩頂負(fù)彎矩大，梁自身的抗彎能力不能有效發(fā)揮作用。在懸臂施工過程中，梁體會(huì)產(chǎn)生不平衡彎矩，設(shè)計(jì)中需要考慮橋墩本身應(yīng)具備一定的抗彎剛度和抗扭剛度。還應(yīng)采用合適的墩梁剛度比，這對(duì)于全橋結(jié)構(gòu)受力合理、最大限度發(fā)揮材料的力學(xué)性能和降低工程造價(jià)十分重要。

通常來講，剛壁墩的橫向約束與縱向約束相比相對(duì)較弱，特別是橫向在受到不平衡荷載作用時(shí)，橋墩容易產(chǎn)生扭曲、變位。這時(shí)可以通過增加下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度來增大剛壁墩的橫向穩(wěn)定。設(shè)計(jì)中通常以結(jié)構(gòu)的自振頻率來控制其橫向剛度，參考南昆鐵路四橋設(shè)計(jì)的要求，以第一階橫向自振周期不大于1.7s[1]控制。

由此可以得出，應(yīng)盡可能使橋梁結(jié)構(gòu)具有較大的橫向剛度和一定的縱向柔度，這樣橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才是最合理的，對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋來說，此時(shí)上部梁體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與連續(xù)梁很接近。

1.2 墩頂彈性水平位移

為了保證運(yùn)營(yíng)時(shí)線路穩(wěn)定，列車能迅速安全通過，必須使橋墩具有足夠的水平剛度，也就是必須限制墩頂?shù)膹椥运轿灰?。因此，在連續(xù)剛構(gòu)橋剛壁墩墩身截面設(shè)計(jì)中，必須檢算墩頂?shù)乃轿灰剖欠駶M足要求。

墩頂縱向水平位移與墩身縱向剛度密切相關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)橋墩的縱向剛度過大，由活載作用、制動(dòng)力、溫度力、自身的混凝土收縮徐變引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力相應(yīng)增加；當(dāng)橋墩的縱向剛度過小時(shí)，其自身的墩頂水平位移相應(yīng)增加。同樣，墩頂?shù)臋M向水平位移與墩身橫向剛度也息息相關(guān)。

1.3 墩身的穩(wěn)定性

高墩設(shè)計(jì)中另外一個(gè)控制因素是墩身的穩(wěn)定性。與實(shí)體墩相比，薄壁空心墩圬工量節(jié)省的同時(shí)，還能提供較大的截面慣性矩，墩身剛度容易滿足要求，混凝土材料的力學(xué)性能得到充分的發(fā)揮，通過對(duì)薄壁墩壁厚與邊長(zhǎng)比值的限制來保證其局部穩(wěn)定性。由實(shí)驗(yàn)分析可知，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)[1]。

2 橋墩結(jié)構(gòu)選型

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，墩頂水平位移，墩身剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等控制因素是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，為了滿足要求，大跨高墩多采用A形墩、矩形空心墩和雙薄壁墩。三種墩型分別具有如下特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的截面形式。

(1)A形橋墩結(jié)構(gòu)形式能有效解決超高墩橋梁橫向剛度的難題，同時(shí)還能節(jié)省材料，具有結(jié)構(gòu)剛度大、適用性強(qiáng)、投資省、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可為山區(qū)鐵路跨越高峽、深谷提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

(2)矩形空心墩與雙薄壁墩相比，雖然其柔度不及雙薄壁墩，但矩形空心墩較雙薄壁墩的抗扭能力好，抗推能力強(qiáng)，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)也比雙薄壁墩大；而雙薄壁墩的抗彎能力比矩形空心墩大，墩身允許的水平位移也大；當(dāng)墩高增加，矩形空心墩的允許縱向位移也隨之增大。

(3)采用雙薄壁墩，墩高一般都不大，為了能夠提供較大的整體抗彎剛度和較小的縱向抗推剛度，可以使雙薄壁墩保持一定的距離，這樣可減少墩柱對(duì)梁體的約束，墩頂處梁的受力也相應(yīng)減小，達(dá)到了降低墩頂負(fù)彎矩的目的，具有較明顯的“削峰”作用。

(4)當(dāng)剛壁墩墩高超過百米時(shí)，A形墩和矩形空心墩在較好滿足縱向柔度的同時(shí)，還能提供相當(dāng)大的橫向剛度，但A形墩施工模板較為復(fù)雜，難度較大。鐵路橋墩設(shè)計(jì)中，采用雙薄壁墩時(shí)，一般保證墩高不超過百米，當(dāng)墩高較高時(shí)，則需要較大的橫向截面尺寸，必要時(shí)還需增加縱向橫聯(lián)。此時(shí)，圬工量相應(yīng)增加，較A形墩和矩形空心墩相比，經(jīng)濟(jì)性較差。

3 安家山河大橋剛壁墩結(jié)構(gòu)形式選擇

安家山河大橋主橋孔跨布置為(80+130+80)m連續(xù)剛構(gòu)，可研設(shè)計(jì)階段，為保證85m高的剛壁墩滿足墩身橫向剛度要求，減小基礎(chǔ)規(guī)模，采用A形墩形式。但初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)線路總體設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，本橋橋上線路由雙線調(diào)整為四線，孔跨形式及橋墩高度不變。由于四線橋墩橫向尺寸大，其橫向剛度不再是控制因素，故在保證結(jié)構(gòu)安全、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的前提下，剛壁墩墩形方案存在優(yōu)化的空間。

安家山河大橋5號(hào)高墩選擇A形墩與矩形空心墩兩種墩形作為備選對(duì)象；6號(hào)矮墩選擇矩形空心墩與雙薄壁墩兩種墩形作為備選對(duì)象。為比較不同墩型的優(yōu)劣，保持橋墩截面尺寸及其他參數(shù)不變，采用MidasCivil有限元程序建立不同墩型組合的3個(gè)模型，通過結(jié)構(gòu)自振頻率、墩頂位移、縱向剛度、混凝土量的差異進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 方案一

5號(hào)高墩采用A形墩和矩形空心墩，矮墩采用矩形空心墩，如圖2所示。

圖2 方案一

通過檢算對(duì)比分析，兩種橋墩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

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

計(jì)算結(jié)果表明：5號(hào)高墩分別采用A形墩和矩形空心墩，結(jié)構(gòu)自振頻率均可滿足規(guī)范要求；墩頂縱向位移和縱向剛度值均滿足規(guī)范要求，二者差別不大。但矩形空心墩的墩身混凝土數(shù)量較A形墩節(jié)省較多?？梢?號(hào)墩采用矩形空心截面不但節(jié)省了工程數(shù)量，同時(shí)還保證了橫向剛度，減輕了墩身自重，從而優(yōu)化了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。3.2 方案二

在選定5號(hào)高墩的墩形方案后，通過合理的縱向剛度匹配來確定6號(hào)矮墩的墩形，矮墩分別采用矩形空心墩和雙薄壁墩，如圖3所示。

圖3 方案二

通過檢算對(duì)比分析，兩種橋墩結(jié)構(gòu)形式計(jì)算指標(biāo)如表2所示。

表2 不同墩身結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比表

計(jì)算結(jié)果表明：6號(hào)矮墩分別采用雙薄壁墩和矩形空心墩，在自振頻率和墩頂位移均滿足規(guī)范要求的前提下，其縱向剛度分別為2 577 kN/cm和20 833 kN/cm，而5號(hào)高墩的縱向剛度為1 347 kN/cm，6號(hào)矮墩采用雙薄壁墩時(shí)，兩墩的縱向剛度更接近，結(jié)構(gòu)體系受力最合理，且雙薄壁墩墩身混凝土較矩形空心墩減少14.1%。

安家山河大橋兩個(gè)剛壁墩結(jié)構(gòu)形式采用了矩形空心截面和雙薄壁實(shí)心截面。保證了全橋結(jié)構(gòu)的合理性，減少了混凝土的工程量，同時(shí)墩形簡(jiǎn)潔，施工方便。

4 結(jié)束語(yǔ)

大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中，其橋墩結(jié)構(gòu)的選型是此類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。興保鐵路安家山河大橋兩個(gè)剛壁墩墩高相差較大，采用了矩形空心墩和雙薄壁墩的截面形式，不僅使全橋結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)，還減少了混凝土的工程量，墩形簡(jiǎn)潔，施工方便，尤其適用于山區(qū)大跨高墩橋梁。

[1] TB 10002. 1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]

[2] 鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)：橋梁墩臺(tái)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1999

[3] 建鑒[1992]93號(hào)關(guān)于南昆鐵路四座大橋橫向剛度的補(bǔ)充技術(shù)要求[S]

[4] 張揚(yáng).鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋高墩設(shè)計(jì)方案研究[J].高速鐵路技術(shù)，2014(4):77-81

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Pier Structure Research of Long-Span Continuous Frame Bridge

YANG Bin

2016-06-03

楊 斌(1984—)，男，畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)05-0088-03

U448.23； U443.2

A