基于抗震設(shè)計的新型高墩構(gòu)造比選
——以黃韓侯鐵路縱目溝特大橋105 m高主墩為例

李宗建

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

橋梁是鐵路交通重要基礎(chǔ)設(shè)施，在現(xiàn)代快速鐵路設(shè)計過程中，從節(jié)約土地、縮短線路長度、并結(jié)合線路選線的需要，高墩大跨橋梁不可避免。20世紀80年代至今，我國在地震區(qū)陸續(xù)修建了許多高墩大跨鐵路橋梁[1-6]，如表1所示。

表1 主墩高度100 m及以上鐵路橋梁統(tǒng)計

既有超過100 m高墩結(jié)構(gòu)，其截面主要采用圓端形空心墩、矩形空心墩、A字形空心墩[7](形式變化的矩形空心墩)，傳統(tǒng)墩型具有結(jié)構(gòu)整體性好、受力性能優(yōu)越等優(yōu)點，不足之處在于，高墩墩身主要受剛度條件控制，橋墩截面尺寸與圬工量均較大，在罕遇地震狀態(tài)下，墩身結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)時，基礎(chǔ)往往受力過大而設(shè)計困難，弱點也較為明顯[8]。綜合分析既有高墩大跨橋梁，從橋位地震力方面分析：除花土坡特大橋地震烈度為七度外，其余均位于六度地震區(qū)，罕遇地震作用下基礎(chǔ)受力大幅減小，甚至成為非控制受力工況；從線路單雙線方面分析：內(nèi)昆線花土坡特大橋為單線橋，與雙線橋相比墩身重力明顯減小，地震力作用及基礎(chǔ)設(shè)計難度也相應(yīng)減小；從橋址地質(zhì)情況方面分析：既有高墩大跨橋梁均位于巖石地層，良好的地質(zhì)條件減小了高墩設(shè)計難度。

對比分析縱目溝特大橋，該橋為雙線鐵路橋梁，首先其地震烈度高：地震動峰值加速度為0.109g，相當于地震基本烈度7度，反應(yīng)譜特征周期為0.51 s；其次該橋位于濕陷性黃土溝壑區(qū)，濕陷性土層厚度約5～30 m，以下為泥巖及砂巖地層，地質(zhì)條件差。5號主墩墩高105 m，若采用傳統(tǒng)空心高墩，罕遇地震下基礎(chǔ)設(shè)計將是影響本橋成敗的最大因素。為保證該橋順利實施，本橋擬采用一種新型橋墩結(jié)構(gòu)，并對其進行概念設(shè)計和構(gòu)造剛度比選，進而進行全橋設(shè)計。

2 工程概況

黃陵—韓城—侯馬鐵路位于陜西省東部及山西省西南部，主要包括新建雙線段、增建二線段、改造既有鐵路段三段，正線全長204.5 km。

縱目溝特大橋位于新建雙線段內(nèi)，線路設(shè)計時速160 km。大橋跨越“U”形主溝，較寬較深，常流水，百年流量Q100=216 m3，流量不控制設(shè)計。

本橋跨越縱目溝主溝，橋位處線路軌底至主溝心高達129.1 m，主橋結(jié)構(gòu)形式的選擇及孔跨布置受線路方案及主溝地形、地貌、地質(zhì)等條件控制，從安全性、經(jīng)濟性、美觀性等技術(shù)詳細分析，采用(79+2×136+79) m連續(xù)剛構(gòu)方案，將主墩設(shè)置于相對平坦的溝心，方便施工，同時兩側(cè)次主墩剛好可位于平緩的臺階上，且墩高相等，最大限度減小不平衡彎矩[9]。主墩墩高105 m，次主墩墩高均為48 m，主墩、次主墩與梁體固結(jié)，共同承受全聯(lián)地震力。兩邊墩為活動墩，墩高根據(jù)地形設(shè)置，高度為22.5 m和53.5 m。主橋立面布置如圖1所示。

圖1 縱目溝特大橋主橋布置(單位：cm)

3 梁部構(gòu)造

箱形截面抗扭剛度大，能充分發(fā)揮整體受力作用，成為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋優(yōu)先選用的截面形式，根據(jù)已建成高墩大跨鐵路梁體構(gòu)造尺寸作為參考，縱目溝特大橋主墩、次主墩墩頂處設(shè)計梁高10 m(L/13.6)，合龍段及邊墩現(xiàn)澆段梁高5 m(L/27.2)，梁底曲線采用1.8次拋物線，箱梁頂寬度為11.5 m，底寬7.2 m(L/18.9)。箱梁腹板厚50～100 cm；底板厚50～110 cm；頂板厚45 cm。頂板設(shè)120×40 cm的梗肋，底板設(shè)40 cm×40 cm的梗肋。箱梁在主墩和兩次主墩墩頂均設(shè)兩道橫隔墻，考慮與橋墩順接，厚度分別設(shè)計為300 cm和200 cm。主梁中支點及跨中截面尺寸見圖2。

圖2 主橋梁部橫截面(單位：cm)

4 主墩概念設(shè)計

如前所述，國內(nèi)鐵路高墩設(shè)計一般均采用整體式橋墩。而在國外，多柱格構(gòu)式橋墩已成為高墩抗震研究發(fā)展方向之一，比如美國Caltrans設(shè)計人員提出了一種用四面剪力墻連接4個正八邊形角柱的空心高橋墩截面形式，見圖3，角柱用螺旋箍筋對混凝土提供較強的橫向約束，對提高墩柱的變形能力有很大的貢獻，墻體主要功能是提高剛度和保證強度[10]。

圖3 國外提出的橋墩截面形式

綜合國內(nèi)外高墩研究方向和思路，本橋提出了一種新型鐵路橋墩形式—柱板式空心墩：以4根剛度較大的鋼筋混凝土墩柱作為主要受力構(gòu)件，墩柱間布置薄壁板將橋墩連成整體，沿墩高方向布置數(shù)道橫梁增強墩柱及板的橫向聯(lián)系，該墩型設(shè)想構(gòu)造截面如圖4所示。在正常運營及多遇地震狀態(tài)下，新型柱板式空心墩作為整體結(jié)構(gòu)受力，可提供足夠的剛度，在罕遇地震狀態(tài)下，薄壁板由于剛度最小率先開裂，結(jié)構(gòu)剛度迅速下降，周期延長，可大幅度消減地震作用[11]。同時，由于橫梁的剛度相對墩柱較弱，本身軸力較小，梁端彎矩大于柱端彎矩，在罕遇地震作用下，橫梁容易形成塑性鉸，通過橫梁的變形消耗地震能量[12]，達到了保護主體墩柱及基礎(chǔ)安全的目的，避免橋梁結(jié)構(gòu)整體跨塌。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，從而降低工程造價，經(jīng)濟又合理[13]。通過已建成的幾座超高墩墩身圬工量比較，新型柱板式空心墩可節(jié)省圬工20%以上[14]，有效減輕結(jié)構(gòu)自重。

圖4 柱板式空心墩概念設(shè)計橫截面及構(gòu)造

5 主墩構(gòu)造及剛度比選

本墩墩高105 m，墩身構(gòu)造主要涉及墩柱截面形式及尺寸、橫梁設(shè)置道數(shù)、連接板厚度、墩身外輪廓線形、墩頂和墩底實體段長度等。對墩身剛度影響最大的墩柱截面形式和尺寸，并對影響施工工期較大的墩頂直線段長度進行重點說明。

為精確計算墩身剛度，沿墩高方向?qū)⒍丈磉M行截面劃分，約3 m劃分一個橫截面；橫梁處劃分3個橫截面：橫梁頂、橫梁中、橫梁底；墩頂和墩底空實交界處采用兩個橫截面分別模擬；墩頂和墩底實體段高度分別為3，5 m；連接板厚度考慮配筋需要及受力需要，在下橫梁以下采用1.0 m，其余采用0.8 m[15]；墩頂3.0 m實體段外輪廓采用直線，以下102 m墩身外輪廓采用1.6次拋物線。墩身計算截面劃分見圖5。

圖5 墩身計算截面劃分

5.1 墩柱截面形式

墩柱截面形式主要從圓形截面、正八邊形截面、正四邊形截面進行比選，其橫截面見圖6，從受力角度及美觀性上考慮，宜優(yōu)先選擇圓形截面，正八邊形及正四邊形依次次之。不同墩柱截面形式尺寸數(shù)據(jù)見表2。為盡可能比較出不同截面形式橋墩性能，橋墩其余參數(shù)取值相同，達到同精度比較。

圖6 3種截面形式示意

表2 各類型墩柱截面尺寸統(tǒng)計

5.2 橫梁布置

沿墩高方向布置3道橫梁，橫梁間距分別為：29(距墩頂),25,25,26 m(距墩底)，橫梁高度設(shè)置為2 m，并設(shè)置0.5 m倒角段。橫梁構(gòu)造考慮受力需要、墩身施工布置勁性骨架需要、美觀性需要等因素，橫截面設(shè)計為距離墩柱內(nèi)、外側(cè)均0.5 m，如圖7所示(以中橫梁為例)。

5.3 墩頂和墩底實體段布置

墩頂實體段需預(yù)留后期檢查條件，設(shè)置成空心截面，墩底則設(shè)置成實體，如圖8所示(以圓形墩柱為例，其余類似)。

圖7 3種墩柱截面橫梁布置(單位：cm)

圖8 墩頂和墩底截面(單位：cm)

5.4 主橋剛度控制

按照南昆鐵路四橋設(shè)計的要求(鐵道部建鑒[1992]93號文“關(guān)于南昆線四座大橋橫向剛度的補充技術(shù)要求”)，應(yīng)該控制橋梁結(jié)構(gòu)的橫橋向第一階振型的自振周期≤1.7 s[16]。要想減小自振周期，在其上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量一定的情況下，就必須增大下部結(jié)構(gòu)的剛度，即增加下部結(jié)構(gòu)的外輪廓尺寸，也就相應(yīng)地增加了下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，這對減小橋梁的自振周期又是不利的，這就形成了一個不利循環(huán)。由于橋梁的自振周期隨下部結(jié)構(gòu)尺寸的增加變化非常緩慢，很難控制橫橋向第一階振型的自振周期。通過研究國內(nèi)外已經(jīng)建成的許多高墩柔性結(jié)構(gòu)橋梁，特別是一些大跨度的斜拉橋、懸索橋，其自振周期普遍較大，但運行良好的實際情況，認為控制高墩大跨橋梁的橫橋向第一階振型的自振周期≤1.7 s并非該橋安全性和正常運營的必要條件，稍微增大自振周期可使橋梁下部結(jié)構(gòu)的尺寸適當減小。特別是2010年建成通車的宜萬鐵路渡口河大橋主橋，其橫橋向第一階振型的自振周期為1.965 8 s，其運營狀態(tài)良好。通常按鐵路高墩大跨橋梁的橫向基本周期控制在2 s之內(nèi)確定橋墩的橫向剛度，再通過車橋耦合進行驗證[17]。

因此，本橋借鑒國內(nèi)外近期橋梁設(shè)計成果，綜合考慮，一階橫向周期按照1.9 s控制，一階縱向周期按照2.1 s控制。

5.5 模型建立及計算分析

5.5.1 墩柱截面形式比選

主橋全橋模型采用橋梁通用軟件Midas/Civil建立，主梁、主墩、次主墩、邊墩均采用梁單元模型。按照主橋全橋?qū)嶋H構(gòu)造建立有限元模型，主墩沿墩高方向劃分49個截面，次主墩和邊墩按照實際截面輸入。承臺底施加3個水平彈簧、3個轉(zhuǎn)動彈簧，來模擬樁-土效應(yīng)，全橋有限元模型如圖9所示(以圓形墩柱為例)。

圖9 主橋整體計算模型

根據(jù)3種墩柱截面構(gòu)造，計算出其周期和墩身混凝土數(shù)量，見表3。其中一階振型均為縱向平動，二階振型均為橫橋向平動，三階振型均為橫橋向反對稱振動，四階振型均為橫橋向?qū)ΨQ振動。

表3 不同墩柱形式全橋動力特性計算

通過表3可知：對此類高墩大跨的連續(xù)剛構(gòu)橋，主墩墩柱尺寸的變化對結(jié)構(gòu)剛度的影響較大。墩身圬工增大約3%，周期變化約1%。因墩身圬工的單價遠遠低于梁體圬工，為提高連續(xù)剛構(gòu)的整體剛度，宜通過調(diào)整墩身構(gòu)造及墩身外輪廓尺寸實現(xiàn)。

理論上，從設(shè)計的角度考慮，3種墩柱構(gòu)造形式均可行，均能實現(xiàn)設(shè)計意圖。但是本著施工方便的原則，圓形截面施工難度最大，正八邊形次之，正四邊形難度最小。2010年12月召開的“黃韓侯鐵路重點及特殊結(jié)構(gòu)橋梁施工圖及施工方案審查會”，參會專家及代表對縱目溝特大橋形成審查意見如下：中墩柱采用矩形切角截面形式(切角尺寸不變)；加強中墩構(gòu)造細節(jié)設(shè)計及施工質(zhì)量控制，防止混凝土出現(xiàn)裂紋[18]。

因此，縱目溝特大橋主墩最終采用正四邊形倒圓角截面形式，采用50 cm半徑圓弧倒圓角；連接板與墩柱之間采用50 cm×25 cm的倒角連接，以減小應(yīng)力集中，防止混凝土開裂。優(yōu)化后的典型墩身橫斷面如圖10所示。

圖10 柱板式空心墩采用的典型橫截面(單位：cm)

5.5.2 墩柱內(nèi)切圓直徑比選

為了進一步減輕結(jié)構(gòu)自重，減小基礎(chǔ)在地震力作用下的設(shè)計難度，采用內(nèi)切圓直徑為3 m(墩頂)～5.5 m(墩底)的模型，與內(nèi)切圓直徑為3 m(墩頂)～6.0 m(墩底)的模型進行比較，計算結(jié)果見表4。

表4 不同墩柱尺寸全橋動力特性計算

通過以上比較可知：通過減小墩柱內(nèi)切圓直徑，可有效減小墩身圬工538 m3，減小4.7%，但是一階周期變化很小，只增大0.31%。因此，從減輕墩身自重的角度考慮，本橋主墩墩柱墩頂正四邊形內(nèi)切圓直徑采用3 m，墩底采用5.5 m。

5.5.3 墩頂直線段長度比選

為提高結(jié)構(gòu)的剛度，墩身圬工應(yīng)適當集中在橋墩下部，同時將結(jié)構(gòu)的重心下移，有利于提高行車性能。從主墩恒載內(nèi)力彎矩圖分布來看，墩頂以下35 m范圍為彎矩變化點，如圖11所示。

由于本橋主墩太高、太大，如何最大限度降低施工難度，保證施工質(zhì)量是個難題。曲線橋墩模板的定位和曲線鋼筋的綁扎越靠近墩頂施工難度越大，若盡可能延長墩頂直線段，則會給施工帶來極大便利，大幅度縮短施工工期[19]。

因此，基于以上設(shè)計和施工考慮，擬將墩頂以下30 m設(shè)計成直線段，30 m以下75 m范圍墩身縱橫向均按照1.6次拋物線變化。由于本橋考慮把一階縱向周期控制在2.1 s以內(nèi)，為了不至于使墩身剛度減小太多，將主墩墩頂外輪廓尺寸由9 m×9 m，增大到10 m×10 m，同時將墩底墩身縱向尺寸由20 m減小到19 m，墩身橫向外輪廓尺寸墩底保持為28 m不變。計算結(jié)果見表5。

表5 不同墩身外輪廓尺寸全橋動力特性計算

從計算結(jié)果來看，混凝土圬工減小1 062 m3，減小10.5%，但是一階周期變化很小，只增大2.35%。因此，從減輕墩身自重、降低施工難度的角度考慮，將墩頂以下30 m設(shè)計成直線段，30 m以下75 m范圍內(nèi)，墩身縱橫向均按照拋物線變化。

5.5.4 墩身豎向曲線線形比選

墩身豎向曲線線形對結(jié)構(gòu)剛度、施工難度、美觀度等影響較大，為此對墩身拋物線選取1.6次、1.8次、2.0次進行同精度方案比選，計算結(jié)果見表6。

表6 不同墩身豎向曲線線形全橋動力特性計算

與1.6次拋物線相比，1.8次拋物線一階縱向周期增大0.8%，二階橫向周期增大1.9%；2.0次拋物線一階縱向周期增大1.6%，二階橫向周期增大4.2%。隨著拋物線次數(shù)增加，墩身剛度減小明顯，1.8次拋物線橫向周期接近本工程設(shè)定限制，2.0次超過限制。由于該墩型首次在高烈度地震區(qū)鐵路上采用，從結(jié)構(gòu)安全角度考慮，本次墩身豎曲線線形最終采用1.6次拋物線。

5.6 柱板式空心墩最終構(gòu)造

綜上所述，主橋5號主墩墩高105 m，采用新型柱板式空心墩。墩頂實體段高度為3 m，墩底實體段高度為5 m。墩頂以下30 m墩身設(shè)計為等截面直線段，以下75 m墩身按照1.6次拋物線變化，墩頂外輪廓尺寸10 m×10 m(縱向×橫向)，墩底尺寸19 m×28 m(縱向×橫向)。墩柱采用正四邊形截面形式，內(nèi)接圓半徑尺寸3～5.5 m變化。連接板厚度0.8～1.0 m。沿墩高方向設(shè)置3道2 m高的橫梁，橫梁中心距離墩頂?shù)木嚯x分別為29，54，79 m。墩身縱橫向、內(nèi)外側(cè)均按照1.6次拋物線變化，縱、橫向連接板中心也按照1.6次拋物線變化。為減小墩身內(nèi)外壁溫度差，連接板上縱橫向均設(shè)置1～1.5 m直徑不等的通風孔[20]。詳細構(gòu)造見圖12。

圖12 柱板式空心墩詳細構(gòu)造(單位：cm)

6 結(jié)語

縱目溝特大橋為黃韓侯鐵路重難點控制性工程，該橋集超100 m主墩、大跨長聯(lián)、高烈度地震區(qū)、濕陷性黃土溝壑區(qū)、大體積混凝土、新型橋墩結(jié)構(gòu)為一體，通過對新型柱板式空心墩概念設(shè)計和構(gòu)造、剛度比選研究，初步揭示了柱板式空心墩的受力機理，驗證了新型高墩在正常運營及罕遇地震下橋墩各部位工作狀態(tài)。綜合分析，可得出如下結(jié)論。

(1)新型柱板式空心高墩為鐵路上首次采用，其受力特性介于傳統(tǒng)整體式空心高墩與格構(gòu)式橋墩之間，既繼承了傳統(tǒng)空心墩整體性好的優(yōu)點，又兼有多柱格構(gòu)式橋墩在罕遇地震下抗震性能優(yōu)越的特性：通過連接板開裂形成格構(gòu)式橋墩從而耗散地震能量。有效減輕墩身自重，減小罕遇地震下基礎(chǔ)設(shè)計難度，達到了預(yù)定設(shè)計目標。

(2)縱目溝特大橋105 m柱板式空心高墩，將墩柱截面設(shè)計為正四邊形，既能滿足橋墩受力需要，又能極大地方便施工；墩柱與連接板設(shè)置倒角連接，能有效減小應(yīng)力集中，防止墩身開裂，保證建設(shè)質(zhì)量。

(3)對于高墩大跨結(jié)構(gòu)，主墩尺寸和外輪廓線形對結(jié)構(gòu)縱橫向剛度影響較大。把墩身圬工及剛度集中置于中下部，降低結(jié)構(gòu)重心，能有效提高墩身剛度，從而提高主橋整體受力性能；可將墩頂至彎矩變化零點設(shè)計為等截面直線段，再通過適當增大墩身外輪廓尺寸的方式，在滿足橋墩受力的同時，可明顯縮短施工工期、節(jié)約施工模板。

(4)超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋不應(yīng)把橫橋向第一階振型的自振周期T≤1.7 s作為其能夠正常運營的必要條件，而應(yīng)當進行全橋車橋耦合計算分析來判定橋梁各項指標，以適當減小墩身尺寸和圬工，減輕自重，經(jīng)濟性和美觀性得到兼顧。

目前，黃韓侯鐵路縱目溝特大橋已通車3年且運營狀態(tài)良好，新型柱板式空心墩的設(shè)計研究成果在實踐中得到了檢驗。隨著我國西北地區(qū)鐵路的不斷建設(shè)發(fā)展，必將面臨越來越多、越來越高的橋梁方案，本文的研究成果將有利于柱板式空心墩不斷推廣應(yīng)用并完善，為類似工程建設(shè)提供參考。