橋墩及樁基形式對墩底平轉(zhuǎn)施工轉(zhuǎn)盤設(shè)計的影響

秦寰宇

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

為減小新建鐵路施工對既有線運營的影響，常采用平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體方法施工跨越既有線的橋梁［1］。平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體分為墩頂轉(zhuǎn)體［2］和墩底轉(zhuǎn)體2 種方式，且普遍采用墩底轉(zhuǎn)體方式［3-4］。墩底平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體橋梁轉(zhuǎn)盤設(shè)計主要包括上轉(zhuǎn)盤設(shè)計和下轉(zhuǎn)盤（即轉(zhuǎn)體橋梁的承臺）設(shè)計。上下轉(zhuǎn)盤的受力與橋墩類型和樁基布置密切相關(guān)，如果選擇的墩型或樁基布置不合適，將導致上下轉(zhuǎn)盤的受力狀態(tài)較差，造成上下轉(zhuǎn)盤的尺寸、配筋或配索增加，從而增加建造成本。為解決上述問題，本文以新建福廈高速鐵路西溪特大橋（94+168+94）m 平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體剛構(gòu)為背景，分析不同墩型對上轉(zhuǎn)盤受力的影響以及不同樁基布置對下轉(zhuǎn)盤受力的影響，并對橋墩及樁基進行優(yōu)化，為轉(zhuǎn)體設(shè)計中橋墩及樁基的選型和優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

新建福廈高速鐵路西溪特大橋（94+168+94）m 剛構(gòu)，上跨既有鐵路，梁部采用預應(yīng)力混凝土箱梁，梁寬12.6 m，邊支點梁高4.5 m，中支點梁高10.5 m，平行于既有鐵路懸灌施工，懸灌至最大懸臂長度83 m 后進行轉(zhuǎn)體、封鉸，最后合龍［5］。該橋采用平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體施工方法進行施工，上、下轉(zhuǎn)盤的尺寸分別為15 m（長）×15 m（寬）×3.5 m（高），16.8 m（長）×22.8 m（寬）×5.6 m（高）；轉(zhuǎn)體噸位為17 500 t，球鉸無偏心。轉(zhuǎn)體施工半立面見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)體施工半立面（單位：m）

2 橋墩對上轉(zhuǎn)盤設(shè)計影響

鐵路橋梁中，常采用的墩型包括實體墩、空心墩及雙薄壁墩。本文分別采用這3種墩型對轉(zhuǎn)體剛構(gòu)上轉(zhuǎn)盤進行實體有限元分析，探究不同墩型對上轉(zhuǎn)盤受力的影響規(guī)律，從而確定最終方案并對其優(yōu)化。

2.1 有限元分析

大橋墩高22 m，順橋向厚7 m，橫橋向?qū)? m，采用MIDAS FEA對上轉(zhuǎn)盤及橋墩底部8 m高度范圍建立實體有限元模型［6］，并對轉(zhuǎn)體工況進行分析。根據(jù)圣維南原理，在墩底以上8 m 高度處可認為壓力已經(jīng)均勻分布，因此將墩底8 m 以上部分的重力按均布荷載施加在模型的頂部，并對上轉(zhuǎn)盤球鉸底部的接觸面進行約束。經(jīng)計算，轉(zhuǎn)體工況下3 種橋墩主拉應(yīng)力云圖見圖2。

由圖2 可知：實體墩最大主拉應(yīng)力為0.52 MPa，位于上轉(zhuǎn)盤以上1 m 高度處；空心墩、雙薄壁墩最大主拉應(yīng)力分別為4.29，9.09 MPa，均位于上轉(zhuǎn)盤頂部。

圖2 橋墩主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

轉(zhuǎn)體工況下，由于球鉸支承上轉(zhuǎn)盤造成上轉(zhuǎn)盤頂部中心產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力，而墩身混凝土對上轉(zhuǎn)盤起到一定的約束作用，即實體墩＞空心墩＞雙薄壁墩。約束越強，所受主拉應(yīng)力越小。因此產(chǎn)生的主拉應(yīng)力大小為實體墩＜空心墩＜雙薄壁墩。據(jù)此推斷，增加墩底實體段可加強墩底混凝土對上轉(zhuǎn)盤的約束作用，減小轉(zhuǎn)體工況下產(chǎn)生的主拉應(yīng)力。

對空心墩及雙薄壁墩增加1～5 m 墩底實體段，以米為單位進行有限元計算，分析墩底實體段高度對轉(zhuǎn)體主拉應(yīng)力的影響。計算結(jié)果表明，最大主拉應(yīng)力均出現(xiàn)在墩底實體段頂部，將墩底實體段高度及最大主拉應(yīng)力的關(guān)系繪成曲線，見圖3。

圖3 墩底最大主拉應(yīng)力曲線

由圖3可知：①實體墩對上轉(zhuǎn)盤受力最有利，其次是空心墩，最不利的是雙薄壁墩；②通過增加墩底實體段，能夠有效降低空心墩、雙薄壁墩上轉(zhuǎn)盤的主拉應(yīng)力；③隨著墩底實體段高度的增加，主拉應(yīng)力降低的幅度逐漸變小。

2.2 橋墩方案選型及優(yōu)化

在墩高較矮時采用實體墩，既能有效減小轉(zhuǎn)體工況下的墩底主拉應(yīng)力，又不會過多增加自重；在墩高較高時，為減輕橋墩重量、減小轉(zhuǎn)體噸位，可采用空心墩或雙薄壁墩，并在墩底增加一定厚度的實體段，以減小轉(zhuǎn)體工況主拉應(yīng)力。

本橋橋墩尺寸為22 m（高）×9 m（寬）×7 m（厚），尺寸較大。結(jié)合墩梁固結(jié)處受力［7］、球鉸噸位、美觀等方面綜合考慮，擬采用雙薄壁墩。為減小上轉(zhuǎn)盤主拉應(yīng)力，在墩底增加2.0 m 高實體段對其進行優(yōu)化?？v橋向距實體段頂面 0.3 m 高度處布置 17 根 12-φ15.2 的鋼索；橫橋向距實體段頂面0.5 m 高度處布置9 根12-φ15.2 的鋼索。鋼索平面間距均為0.5 m，并沿墩中心向兩側(cè)布置，見圖4。

圖4 墩底實體段鋼索布置

經(jīng)計算，實體段頂面最大主拉應(yīng)力為2.4 MPa（圖5）。因此，墩底實體部分可以采用C50 混凝土，保證施工過程中混凝土不開裂。

圖5 墩底應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3 樁基對下轉(zhuǎn)盤設(shè)計的影響

鐵路橋梁中常采用的樁基布置形式為梅花式和行列式。本文采用這2種布樁形式對轉(zhuǎn)體剛構(gòu)下轉(zhuǎn)盤進行實體有限元分析，探究不同樁基布置對下轉(zhuǎn)盤受力的影響規(guī)律，從而確定最終方案并對其優(yōu)化。

3.1 有限元分析

大橋基巖距地面線31 m，樁基礎(chǔ)采用柱樁。采用MIDAS FEA 對下轉(zhuǎn)盤及樁基礎(chǔ)建立實體有限元模型，對轉(zhuǎn)體工況進行分析。將球鉸以上部分的結(jié)構(gòu)重力施加在下轉(zhuǎn)盤球鉸接觸面上。由于轉(zhuǎn)體過程中懸臂平衡，主要受力為豎向力，且樁基礎(chǔ)為柱樁，因此不考慮土層的側(cè)向約束，僅對樁底進行約束。

選取梅花式及行列式2 種方案，樁徑均為2.8 m，下轉(zhuǎn)盤厚度采用2倍樁徑［8-9］。樁基平面布置見圖6。

圖6 樁基平面布置（單位：cm）

由于球鉸與下轉(zhuǎn)盤接觸面較小，造成下轉(zhuǎn)盤底部中心產(chǎn)生較大主拉應(yīng)力。利用有限元建模分析，2 種布樁形式下轉(zhuǎn)盤底部主拉應(yīng)力云圖見圖7?？芍?，方案1 和方案2 下轉(zhuǎn)盤底部最大主拉應(yīng)力分別為4.44，5.61 MPa。

圖7 下轉(zhuǎn)盤底主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

1—4號樁的最大軸力見表1。

表1 樁基最大軸力 kN

由圖7 和表1 可知：①球鉸正下方布置樁基時，對下轉(zhuǎn)盤底部受力更加有利；②距離球鉸中心越遠，樁基所受到的力越小，中樁受力明顯大于角樁。

3.2 樁基方案選型及優(yōu)化

樁基布置時應(yīng)盡量選擇在球鉸下方設(shè)置樁基的布置形式，以減小下轉(zhuǎn)盤底部主拉應(yīng)力。在轉(zhuǎn)體工況下，中樁受力明顯大于邊樁，可適當增加中樁樁徑，使各樁基應(yīng)力狀態(tài)更加均衡。對于方案1和方案2，中樁及角樁最大軸力相差不到10%，但方案1 能有效減小下轉(zhuǎn)盤底部主拉應(yīng)力。因此，擬采用方案1 的樁基布置形式。由于樁基對下轉(zhuǎn)盤的支承不是絕對剛性的，各樁基轉(zhuǎn)體狀態(tài)下承受的荷載在成橋后會重分配。因此，樁基計算時對封鉸前的荷載進行重分配以及不進行重分配2種工況進行包絡(luò)計算。

本文采用自主開發(fā)的“預應(yīng)力混凝土雙柱門式墩結(jié)構(gòu)分析軟件”中樁基計算模塊［10］對樁基進行包絡(luò)計算。為使各樁基應(yīng)力狀態(tài)更加均衡，且滿足最小樁間距的要求，擬優(yōu)化中樁樁徑至3.0 m，其他樁基尺寸及布置均不變。根據(jù)優(yōu)化后的樁基布置重新進行建模設(shè)計?？v橋向距下轉(zhuǎn)盤底面0.3 m 高度處布置21 根15-φ15.2的鋼索；橫橋向距下轉(zhuǎn)盤底面0.55 m高度處布置21 根25-φ15.2 的鋼索。鋼索平面間距均為0.5 m，并沿下轉(zhuǎn)盤中心向兩側(cè)布置，見圖8。

經(jīng)計算，轉(zhuǎn)體工況下轉(zhuǎn)盤底的主拉應(yīng)力為1.3 MPa（圖9），下轉(zhuǎn)盤混凝土可采用C30。

圖8 下轉(zhuǎn)盤鋼索布置

圖9 轉(zhuǎn)體工況下轉(zhuǎn)盤底主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

4 結(jié)論

1）實體墩對上轉(zhuǎn)盤受力最有利，其次是空心墩，最不利的是雙薄壁墩。

2）增加墩底實體段，能夠有效降低空心墩、雙薄壁墩上轉(zhuǎn)盤的主拉應(yīng)力。隨著墩底實體段高度的增加，主拉應(yīng)力降低的幅度逐漸變小。

3）球鉸正下方有樁基時，對下轉(zhuǎn)盤受力更加有利。距離球鉸中心越遠，樁基所受到的力越小，適當增加中樁樁徑，可使各樁基應(yīng)力狀態(tài)更加均衡。