高海拔高墩橋梁橋墩選型研究

張 艷

（西安開道萬(wàn)交通科技有限公司,陜西 西安 710000）

0 引言

橋墩是橋梁的主要受力構(gòu)件，橋墩的結(jié)構(gòu)形式影響橋梁的安全性、耐久性和正常使用。高墩橋梁的橋墩型式是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。一般而言，確定橋墩型式需要綜合考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)類型、橋梁跨徑、橋墩墩高、橋梁承受荷載等參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算分析后，再經(jīng)比選確定[1]。對(duì)于高度不同的橋墩，其下部型式多種多樣，如雙柱、單柱，空心、實(shí)心，Y型、門型、V型，橋墩截面型式又分為等截面、變截面。而且不同的地區(qū)，由于設(shè)計(jì)者認(rèn)知水平、施工方建設(shè)水平和當(dāng)?shù)仫L(fēng)俗習(xí)慣等差異，在橋墩型式的選擇上也有差異[2]。本文根據(jù)大循高速公路項(xiàng)目一處百米高墩橋梁特點(diǎn)，通過受力特性、施工難易性以及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合分析，提出適用山區(qū)高墩橋梁的橋墩墩型、尺寸。

1 橋墩比選

本文以大循高速公路項(xiàng)目一處百米高墩橋梁工程為依托，主要對(duì)60～110m區(qū)間的墩高選型進(jìn)行探討。該百米高墩橋梁位于分離式的路基段落，處在大力加山的埡口向東南大概6.2km處。橋梁位置所處地貌屬于河流沖積地貌，微地貌為河床，現(xiàn)溝谷呈“U”字型。橋位跨越?jīng)_溝，河谷內(nèi)常年流水，水量受季節(jié)影響較大?？缭綔系锥蔚貏?shì)較為平坦。左幅中心樁號(hào)為ZK9+974.358，左偏角度90°，橋梁長(zhǎng)度564m；右幅中心樁號(hào)是YK9+826，右偏角度90°，橋梁長(zhǎng)度564m，橋梁寬度是11m。該橋梁的上部結(jié)構(gòu)為（3×40+8×40+3×40）m的預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，采用裝配式施工工藝，第1聯(lián)和第3聯(lián)采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，第2聯(lián)采用先簡(jiǎn)支后墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系。該高墩橋梁左右幅各有13個(gè)墩柱，其中右幅墩柱高度依次為13.335m、37.707m、70.558m、94.039m、97.71m、104.182m、104.153m、100.725m、82.896m、61.068m、40.231m、21.522m、7.829m，左幅墩柱高度與右幅差異不大。橋臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)已有的研究成果及成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，該橋高60m以內(nèi)的橋墩墩型直接選定：墩高30m以內(nèi)采用柱式墩（直徑D=2m），墩高30～60m之間采用矩形空心墩（截面外輪廓尺寸5.5m×3m，內(nèi)輪廓尺寸4.3m×1.8m）。本橋左右幅墩高60m以上共16個(gè)、從60～110m每10m范圍內(nèi)均有對(duì)應(yīng)的墩，本文將針對(duì)這一高度范圍的高墩選型進(jìn)行探討。

檢索有關(guān)資料，對(duì)于百米左右的高墩，采用的型式多種多樣，有雙肢薄壁墩、圓形空心墩、矩形空心墩、圓端形空心墩、變截面矩形空心墩等[4]。本文對(duì)60～110m范圍的高墩選用的墩型主要有：（1）變截面薄壁空心墩；（2）矩形空心墩；（3）雙肢薄壁空心墩；（4）圓端形空心墩。對(duì)4種墩型在承載力、穩(wěn)定性等力學(xué)性能方面進(jìn)行對(duì)比分析，以便找出一定高度區(qū)間內(nèi)力學(xué)性能合理的橋墩型式。

為了研究各種橋墩截面形式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，在分析時(shí)設(shè)定橋墩頂面截面的面積大致相等。矩形空心墩外輪廓尺寸5.5m×3m，內(nèi)輪廓4.3m×1.8m，面積8.94m2；薄壁變截面墩墩頂截面外輪廓尺寸5.5m×3m，內(nèi)輪廓4.3m×1.8m，變截面按1∶80坡度四面放坡，放坡區(qū)段長(zhǎng)度為墩高減去墩頂、墩底的實(shí)心段及實(shí)心段到空心段的漸變段長(zhǎng)度,即(H-8)m長(zhǎng)度內(nèi)按1∶80坡度放坡；雙肢薄壁空心墩單肢墩頂外輪廓尺寸3m×1.9m，內(nèi)輪廓1.8m×0.7m，面積8.88m2，雙肢距離1.7m；圓端形空心墩壁厚0.6m,面積8.96m2。各類型墩截面尺寸見圖1。

圖1 4種墩型截面尺寸

2 參數(shù)選定及模型建立

2.1 基本數(shù)據(jù)

上部結(jié)構(gòu)：后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁，主梁間距2.4m，橋面寬度12.0m；下部結(jié)構(gòu)：預(yù)應(yīng)力蓋梁矩形空心墩/雙肢薄壁空心墩/變截面空心墩/圓端形空心墩；汽車荷載：公路—級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；設(shè)計(jì)車道數(shù)：雙向4車道；設(shè)計(jì)車速：80km/h。

2.2 材料主要指標(biāo)

預(yù)制主梁及橫隔梁、濕接縫、封錨端、墩頂現(xiàn)澆連續(xù)段采用C50,橋墩采用C40混凝土。HRB335鋼筋彈性模量2.0×105MPa，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度280MPa，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度280MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值335MPa，各墩柱截面配筋率ρ=1%?；炷林饕笜?biāo)見表1。

表1 混凝土主要指標(biāo)

2.3 荷載取值

（1）自重荷載。本文應(yīng)用Midas/Civil軟件做出模擬分析，軟件可以按照結(jié)構(gòu)的體積和立方米重量自行計(jì)算出自重荷載。

（2）確定二期恒載。根據(jù)該橋梁的設(shè)計(jì)文件可以知道，橋面鋪裝設(shè)計(jì)了3層，由底部向上分別采用10cm厚度的聚丙烯纖維混凝土（C40）、改進(jìn)型防水層（三涂FYT-1）以及9cm厚度的瀝青混凝土。和自重荷載一樣，給出其結(jié)構(gòu)的體積和立方米重量形成均布荷載加載到主梁?jiǎn)卧稀?/p>

（3）活載計(jì)算參數(shù)。汽車的沖擊系數(shù)μ為0.3；汽車荷載制動(dòng)力T的計(jì)算式為：（10.5×40×4+340）×2×10%=404kN；常年氣溫變化即均勻溫度對(duì)上部構(gòu)造受力影響分析，按溫度上升26℃和下降29℃考慮；風(fēng)荷載：設(shè)計(jì)基本風(fēng)速28.6m/s，汽車組合橋面風(fēng)速25m/s，施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速取20年重現(xiàn)期風(fēng)速25.2m/s。

離心力系數(shù)：C=υ2/（127R）=802/(127×1000)=0.05。

荷載：自重、二期恒載、車輛活載、系統(tǒng)溫度、梯度溫度、汽車制動(dòng)力。根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范設(shè)計(jì)荷載組合，分析整座橋的承載力安全系數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.4 模型建立

根據(jù)實(shí)際工程中使用的橋型，選取4種墩型分別進(jìn)行建模。上部結(jié)構(gòu)是（3×40+8×40+3×40）m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁（裝配式）；第1聯(lián)和第3聯(lián)采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系；第2聯(lián)采用先簡(jiǎn)支后墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系；全橋上部結(jié)構(gòu)采用5片T梁，主梁高2.5m，蓋梁高2m。計(jì)算分析時(shí)考慮橋墩頂部橡膠支座的剪切剛度、墩柱本身抗彎剛度，不考慮地基土對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性作用，假設(shè)墩柱底面是理想固結(jié)點(diǎn)，采用Midas/Civil對(duì)第2聯(lián)建立雙幅模型，上部結(jié)構(gòu)采用梁格法建模，下部結(jié)構(gòu)采用空間桿單元模擬，全橋共4471個(gè)桿單元，4～10號(hào)墩墩梁固結(jié)，3、11號(hào)墩模擬為釋放X、Y方向約束的一般支承，采用主從約束節(jié)點(diǎn)模擬節(jié)點(diǎn)連接性質(zhì)，橋墩為變截面薄壁空心墩的有限元計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 變截面薄壁空心墩有限元模型

3 橋墩承載力和穩(wěn)定性分析

3.1 橋墩承載力分析

承載力分析時(shí)考慮的荷載：自重+二期恒載+車輛活載+系統(tǒng)溫度+梯度溫度+汽車制動(dòng)力。根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范設(shè)計(jì)荷載組合。

表2給出了全橋采用4種墩時(shí)，3#～10#墩的各墩的最小承載力安全系數(shù)。不同墩高條件下的最小承載力安全系數(shù)曲線見圖3。

表2 4種墩的最小承載力安全系數(shù)

圖3 4種墩不同墩高條件下墩的最小承載力安全系數(shù)

由表2和圖3可知，該橋梁設(shè)計(jì)為一種墩型時(shí)，墩高越小，橋墩的最小承載力安全系數(shù)越大，橋墩越安全；采用圓端形和矩形空心墩的墩身承載能力差別不大，采用變截面空心墩單墩承載能力最好，這三種墩在不同墩高情況下都能滿足承載力要求，而雙肢空心墩單墩承載能力在墩高百米以上時(shí)不能滿足承載力要求；從承載能力而言，該橋梁60～104m高墩可采用變截面空心墩、矩形空心墩和圓端形空心墩。

3.2 橋墩穩(wěn)定性分析

為確保高墩的穩(wěn)定及安全，需要在高橋墩的施工及運(yùn)營(yíng)階段都進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并且做到嚴(yán)格控制，確保這兩個(gè)階段高墩的穩(wěn)定性，高墩就是安全的[5]。采用Midas／Civil中的屈曲分析功能進(jìn)行分析，橋梁分析計(jì)算的模型以實(shí)體橋梁結(jié)構(gòu)尺寸為依據(jù)，上部主梁結(jié)構(gòu)保持不變，下部橋墩結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)不同研究分析內(nèi)容給予調(diào)整，主梁、橋墩都采用空間梁?jiǎn)卧?。選擇單墩施工階段和成橋施工階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析：考慮在施工各階段可能發(fā)生的荷載情況，分析結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下的穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)方向，將不同截面型式的橋墩穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 單墩狀態(tài)下不同型式橋墩的穩(wěn)定性分析

建立4種類型不同墩高的單墩模型，進(jìn)行單墩狀態(tài)下屈曲穩(wěn)定性對(duì)比分析。需考慮的荷載有：（1）墩身自重；（2）風(fēng)荷載（包括橋墩橫向風(fēng)荷載、縱向風(fēng)荷載）；（3）梯度溫度荷載；（4）系統(tǒng)溫度荷載（整體升溫或者降溫）。

在線彈性屈曲穩(wěn)定分析中，一階屈曲模態(tài)在實(shí)際工程中是最容易發(fā)生的，也是最具有工程價(jià)值的。所以，在整理數(shù)據(jù)時(shí)更加關(guān)注一階屈曲模態(tài)下的穩(wěn)定特征值。4種類型橋墩在相應(yīng)的荷載工況下的一階屈曲穩(wěn)定特性值見表3，隨高墩變化曲線見圖4。

表3 單墩狀態(tài)下4種類型墩的屈曲穩(wěn)定特征值

圖4 單墩狀態(tài)下墩的屈曲穩(wěn)定特征值隨墩高變化曲線圖

單墩狀態(tài)下：墩身截面一定時(shí)，墩柱越高穩(wěn)定性越差；截面面積相同時(shí)，圓端形空心墩穩(wěn)定性好于矩形空心墩，墩高超過100m以上時(shí)，兩者的穩(wěn)定特征值都下降到10以內(nèi)；雙肢空心墩的穩(wěn)定性在4類墩中最差，而且墩高超過80m以上時(shí)，穩(wěn)定特征值迅速降低，對(duì)于100m以上高墩，其穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備不足；保持矩形空心墩墩頂截面不變，調(diào)整墩身為按80∶1的坡比四面放坡成為變截面空心墩，可以很大程度上提高墩的穩(wěn)定性，并且這種變截面墩隨著墩身高度增大其穩(wěn)定特征值降低緩慢，能夠在較大墩高時(shí)依然保有較好的穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備。

3.2.2 成橋狀態(tài)下不同型式橋墩的穩(wěn)定性分析

成橋后穩(wěn)定性分析必須考慮的荷載有：（1）結(jié)構(gòu)自重；（2）主梁上的二期恒載（包括護(hù)欄、橋面鋪裝）；（3）活載（汽車荷載）；（4）溫度荷載（梯度溫度和整體升降溫）；（5）汽車制動(dòng)力；（6）風(fēng)荷載（墩的順橋向和橫橋向風(fēng)荷載）。分別建立4類墩全橋模型進(jìn)行成橋狀態(tài)的穩(wěn)定性分析。在Midas/Civil中，移動(dòng)荷載分析和屈曲穩(wěn)定分析不可以同時(shí)進(jìn)行，因此，必須先對(duì)4類墩全橋模型進(jìn)行移動(dòng)荷載分析，分析出橋墩頂部軸向力的最不利影響線，然后把汽車荷載以靜載形式加載到穩(wěn)定分析的模型中進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性分析，從而得出全橋的穩(wěn)定性分析結(jié)果。通過汽車移動(dòng)荷載分析可知，對(duì)全橋穩(wěn)定性最不利的荷載加載位置是當(dāng)移動(dòng)荷載作用在邊跨，并且使得邊跨墩頂產(chǎn)生最大軸力影響線時(shí)的荷載加載位置。

表4 成橋狀態(tài)下4種類型墩的一階屈曲穩(wěn)定特征值

成橋狀態(tài)下：由于對(duì)全橋穩(wěn)定性最不利的荷載工況下汽車荷載加載位置在邊跨，所以邊跨過渡墩即3#號(hào)墩的一階屈曲穩(wěn)定特征值比其他墩的都小，這里只比較4種類型墩成橋狀態(tài)下3#墩的穩(wěn)定性。圓端形空心墩、矩形空心墩穩(wěn)定性較接近，且好于雙肢空心墩穩(wěn)定性；雙肢空心墩一階屈曲穩(wěn)定特征值接近1，穩(wěn)定性較差；較其他3類墩而言，變截面空心墩全橋模型的穩(wěn)定特征值最大，穩(wěn)定性最好。

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

選定的雙肢薄壁空心墩、矩形空心墩、圓端形空心墩截面面積和截面配筋率差異不大，三者工程量大體相等，變截面空心墩平均截面面積比前三者稍大一些，其墩身混凝土和鋼筋用量也比前三者稍多一些，所增加的用量約為全橋高墩整體混凝土和鋼筋用量的1/5，墩身工程量的費(fèi)用差距不是很大。影響橋墩施工經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素是施工難易程度。雙肢空心墩由于截面尺寸小，并且雙肢之間需要加設(shè)系梁，比其他3類墩施工難度大、工藝復(fù)雜。矩形空心墩、變截面空心墩、圓端形空心墩均可采用液壓爬模技術(shù)，施工速度快，質(zhì)量容易控制，施工安全穩(wěn)定。變截面空心墩不同墩高墩身外模只需截取模板，內(nèi)模采用抽塊式模板，模板調(diào)整簡(jiǎn)易便捷。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)際,以大力加山至循化公路項(xiàng)目百米高墩橋梁工程為依托，對(duì)橋梁高墩的選型問題作了分析和研究，在承載力、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性三方面做了對(duì)比分析，最終推薦60m以上高墩采用變截面空心墩，并給出了截面尺寸，可為同類工程提供參考?？傊瑯蛄焊叨招枰婵紤]結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，并且結(jié)合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和美觀性，經(jīng)過分析計(jì)算、對(duì)比研究和總結(jié)分析，找到符合工程實(shí)際的設(shè)計(jì)方案。