鐵路橋梁實心高橋墩可靠度和混凝土結構設計研究

摘要：簡述某道路工程概況及其第二節(jié)路段需采用高速液壓夯實技術進行施工的情況，在簡要介紹高速液壓夯實機結構和功用的基礎上，詳細闡述了畫線布置夯實點、夯錘點位校準、正式夯擊施工等方面采用高速液壓夯實技術進行路基施工的要點。試驗驗證結果顯示，采用高速液壓夯實技術進行路基夯實，該段高填路基夯實后的沉降量完全滿足相關規(guī)范要求，路基質量得到了顯著提高，具備承受車輛和自然因素負載能力，能夠保證交通的安全和順暢。

關鍵詞：鐵路橋梁工程；實心高橋墩；結構設計；可靠度；抗壓強度

0" "引言

墩柱作為橋梁結構的支撐要素，其施工質量和技術水平的高低直接關系到橋梁的安全性和承載能力[1]。實心高橋墩是指將整個橋墩的內部設計為實心結構的一種較高的橋墩。這種橋墩具有結構穩(wěn)定性好、抗震性強等優(yōu)點。鐵路橋梁工程采用實心高橋墩，能夠有效提高鐵路橋梁的承載能力和使用壽命，從而提高鐵路運輸?shù)陌踩院瓦\行效率。

研究實心高橋墩施工技術，對進一步提高鐵路橋梁的承載能力和使用壽命具有重要的指導意義，對推動鐵路運輸持續(xù)發(fā)展具有重要的實踐價值[2-3]。為此，本文提出了一種高效可行的鐵路橋梁實心高橋墩混凝土結構的設計和施工方法。

1" "實心高橋墩的定義和特點

實心高橋墩是指具有一定高度且無空心結構的橋墩，其主要用于支撐橋梁的上部結構，起到傳遞橋荷載、支撐鐵路線路的作用。在施工過程中，需按設計要求將實心高橋墩的內部空間填充為實心結構。

在鐵路橋梁工程中，實心高橋墩具有結構穩(wěn)定性好、抗震性強等特點。實心高橋墩在鐵路橋梁工程中具有重要作用，它不僅可以增強橋墩的穩(wěn)定性和抗震能力，還可以有效提高橋梁的承載能力和使用壽命，從而提高鐵路運輸?shù)陌踩院瓦\行效率。

2" "實心高橋墩結構可靠度分析

2.1" "結構可靠性及其功能

實心高橋墩的結構可靠性需滿足以下4個方面功能：一是安全性能，即在極限破壞狀態(tài)下，實心高橋墩的結構強度應能夠承受形變、局部損壞和震動而仍然不被破壞的能力；二是承載性能，即在極限承載情況下，實心高橋墩的結構可以繼續(xù)保持整體平衡和穩(wěn)定；三是適用性能，即在正常使用過程中，實心高橋墩的結構可適用其設計范圍的各種用途；四是耐久性能，即在正常維修和養(yǎng)護條件下，實心高橋墩的結構應達到乃至超過設計使用壽命并滿足各項功能要求[4]。

2.2" "結構工作狀態(tài)分析

實心高橋墩結構在施工或使用過程中，可能處于失效狀態(tài)或者是可靠狀態(tài)，橋梁安全性評定需要判斷結構的失效狀態(tài)與可靠狀態(tài)的閾值，這個閾值就是結構的極限狀態(tài)。

如果結構的隨機變量用來表示，結構工作狀態(tài)的函數(shù)用 表示，其函數(shù)可表示為下列公式：

式中：Z為結構工作狀態(tài)函數(shù)代號，g（X1，X2，…，Xn）為結構工作狀態(tài)函數(shù)。當g（X1，X2，…，Xn）=0時，稱為極限狀態(tài)方程。實心高橋墩結構工作狀態(tài)如圖1所示。

2.3" "結構可靠度分析

實心高橋墩結構可靠性可用結構可靠度來表示。結構可靠度也就是結構在規(guī)定時間和條件下完成設計需求的概率。同理，結構不能在規(guī)定時間和條件下完成設計需求的概率，則稱為失效概率。結構可靠度與失效概率是互補的，可表示為下列公式：

式中：Ps為結構可靠度，P?為失效概率。為了簡化計算過程，結構可靠度通常以失效概率來衡量。結構的隨機變量為X1，X2，…，Xn，所以結構的失效概率函數(shù)為?x（x1，x2，…，xn），結構失效概率則可表示為下列公式：

如果結構的隨機變量表示為R，荷載效應隨機變量表示為S，且R和S相互獨立，結構工作狀態(tài)函數(shù)可表示為下列公式：

3" "鐵路橋梁實心高橋墩混凝土結構設計研究

3.1" "試驗方案設計

為了更加準確地研究鐵路橋梁實心高橋墩混凝土的偏壓力學特性，必須確保構件的尺寸必須合理。若尺寸過大，可能會導致彎曲變形；若尺寸過小，端部效應也會產(chǎn)生較大影響。上述情況均不能完全反映出混凝土支柱在偏壓作用下的力學特性。對于混凝土支柱，該試驗取試件的長徑比L/D＜4進行研究[5]。

該試驗共分為兩組，分別測試混凝土支柱和實心高橋墩在偏心受壓下的力學性能和破壞模式。這次試驗選擇不同管徑的無縫鋼管，其規(guī)格分別為?180×8mm和?194×8mm。鋼管的屈服強度均為255MPa左右，外面涂有灰色防銹漆，且都灌注C40混凝土。實心高橋墩試件參數(shù)如表1所示。表1中D表示直徑，T為厚度，L為長度。

3.2" "混凝土及其配合比的選擇

為了充分研究混凝土實心高橋墩混凝土結構特性和工作性能，該試驗采用C40級別的混凝土進行試驗，以確保其可靠性和耐久性[6]。

3.2.1" "水泥

當選擇水泥作為混凝土支柱的材料時，必須考慮其質量、速凝劑的特點和實際供應情況，并且確保其標號不低于42.5號。同時，必須避免使用已經(jīng)過期、受潮結塊或混合的水泥。試驗所用混凝土選用42.5號普通硅酸鹽水泥。

3.2.2" "砂子

在選擇砂子時，應特別注意其中的云母、硫化物、泥沙以及壓碎指標，這四種因素會嚴重影響混凝土的強度以及對鋼管的腐蝕性。根據(jù)《建筑用砂》（GB/T14684—2022）的相關要求，應使用優(yōu)質的中砂作為細骨料，其含泥量應低于2%，細骨料的細度模數(shù)應在2.2～3.0之間，其平均粒度應在0.05～0.5mm之間。

3.2.3" "石子

為了提高混凝土輸送泵的工作效率，宜選擇堅硬的河卵石或碎石。這些材料具有較高的強度和光滑的表面，可以減少管道的摩擦，從而有助于遠距離輸送混凝土、降低堵塞的風險。相比之下，碎石的表面粗糙且多棱角，會對管道造成嚴重的磨損，因此應盡量避免使用。參考《建設用卵石、碎石》（GB/T14685—2022）中有關規(guī)定，選用級配合理、粒徑10～20mm的堅固、潔凈卵石作為粗骨料。

3.2.4" "水和膨脹劑

為了保證水泥的正常凝結和硬化，所選水質必須保持清潔，不含任何有害物質。在水泥硬化過程中，摻入膨脹劑可以有效地抵消收縮應力，減少混凝土中的孔隙和毛細孔徑，從而提高混凝土的密實性，進而有效防止混凝土發(fā)生干縮。

3.2.5" "減水劑

通過添加適當?shù)臏p水劑，可以大大提升混凝土的流動性和強度，使其結構更加牢固。同時也能夠有效地節(jié)省水泥的消耗，從而達到良好的抗壓強度。此次選擇的減水劑為聚羧酸高效減水劑。

3.2.6" "配合比

試驗混凝土選用標號為42.5的普通硅酸鹽水泥進行C40混凝土的配制，粗骨料采用質地堅硬、潔凈、粒徑為10～20mm的卵石，細骨料的細度模數(shù)為2.2～3.0、平均粒徑為0.35～0.5的優(yōu)質河砂（中砂），并添加聚羧酸高效減水劑?；炷林?，水泥、砂子、石子、水、減水劑的配合比為1：1.55：2.144：0.35：0.003：0.05，按照《混凝土膨脹劑》（GB23439—2017）有關規(guī)定，選擇的膨脹劑為I型?；炷僚浜媳热绫?所示。

3.3" "試件和試塊制作

3.3.1" "試件混凝土澆筑

在地面上鋪設一塊鋼板，并將鋼管放置于其上，然后從鋼管上部澆筑配置好的混凝土。在澆筑過程中，應使用插入式振搗棒對澆筑后的混凝土內部進行振搗，并在外部進行敲擊?；炷翝仓瓿珊?，使用高強度的水泥砂漿將混凝土表面抹平，以保證混凝土在受力初期就能夠共同承受壓力。

3.3.2" "試塊混凝土澆筑

按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2019），混凝土試塊的標準尺寸為150mm×150mm×

150mm，每組試塊為3塊。進行試件混凝土澆筑的同時，采用同一批混凝土制作混凝土試塊，保證試塊的密實度、表面平整光滑、無氣泡和裂紋等缺陷。

3.3.3" "試塊的養(yǎng)護

在鋼管混凝土試件澆筑完畢之后，采用自然養(yǎng)護方式，將其與混凝土試塊同時進行養(yǎng)護。將其所處的環(huán)境溫度控制在20±3℃，相對濕度控制在95%以上，在上述條件下養(yǎng)護28d。

4" "抗壓強度試驗與分析

4.1" "抗壓強度試驗方法

混凝土試塊養(yǎng)護期結束后，在2000kN壓力試驗機上進行試驗。該型壓力試驗機的最大試驗壓力為2000kN，試驗精度級別為1級，上、下承壓板之間的最大距離為320mm，壓盤尺寸為370mm×400mm。將混凝土試塊與該壓力試驗機上、下承壓板的中心線對齊，以保證試塊不會受偏心壓力影響。從零開始逐步對混凝土試塊進行逐級增壓加載，一直加到試塊的軸向變形達到預計值為止。

根據(jù)試塊尺寸和混凝土配合比，預計試塊的極限承壓能力在750～800kN之間。為了更準確地測量試塊的極限抗壓強度，采用分級加載的方式，每級加載的荷載都是預計荷載的1/10。在試驗過程中，通過監(jiān)測壓力試驗機的壓力變化來獲取精確的試驗結果。通過使用壓力試驗機緩慢施加壓力，直至混凝土試塊受到嚴重損壞，然后確定其極限抗壓強度。

4.2" "抗壓強度試驗結果

經(jīng)過試驗得出該組試塊的極限承載力分別為75.68kN、744.31kN和798.58kN。得出這組數(shù)據(jù)后，計算出每個試塊的抗壓強度?；炷亮⒎襟w試塊的抗壓強度按下列公式計算：

式中：?C為混凝土試塊抗壓強度（MPa），F(xiàn)為混凝土試塊破壞荷載（N），A為混凝土試塊承壓面積（mm2）。經(jīng)計算，每個混凝土試塊的抗壓強度分別為37.6MPa、37.2MPa和39.9MPa。

根據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2019）規(guī)定，每組混凝土試塊抗壓強度的中間值與其他兩個值之差均未超過中間值的15%，取3個值的算術平均值。經(jīng)計算，得到該組試塊的抗壓強度平均值為38.2MPa。混凝土試塊參數(shù)及抗壓強度試驗結果如表3所示。

4.3" "分析試驗結果

按照《混凝土強度檢驗評定標準》（GB/T50107—2010）規(guī)定，混凝土強度等級大于C20的混凝土，其強度合格評定系數(shù)為95%。C40混凝土試塊加載試驗的抗壓強度平均值為38.2MPa，其合格評定系數(shù)達到了95.5%，達到了該標準的規(guī)定，由此說明本文研究的實心高橋墩結構設計具有可靠性和可行性。

5" "結束語

本文以鐵路橋梁的實心高橋墩為研究對象，介紹了實心高橋墩的定義和重要性，探討了鐵路橋梁工程實心高橋墩的可靠性和可靠度，針對實心高橋墩的混凝土結構進行了設計和研究，取得了預期的研究成果。今后將進一步加強鐵路橋梁工程可靠度和強度方面的研究，為有效提高鐵路橋梁的承載能力和使用壽命繼續(xù)進行深入探討。

參考文獻

[1] 盧寶艷.高速鐵路橋梁連續(xù)梁工程施工技術要點探究[J].工程機械與維修，2022（3）：230-232.

[2] 路文超.高速鐵路橋梁工程中的連續(xù)梁工程施工工藝[J].工程機械與維修，2021（6）：76-77.

[3] 李毅超.實心高橋墩施工技術在新內馬鐵路橋梁項目中的應用[J].工程技術研究，2023，8（3）：53-55.

[4] 董亮.鐵路橋梁實心高橋墩施工技術[J].山西建筑，2016，42（14）：166-168.

[5] 郭栓虎.收分高橋墩變截面實心矩形墩滑模施工技術[J].科學之友，2012（8）：68-69.

[6] 彭彥彬，孔德芒.高寒地區(qū)高橋墩冬季施工技術[J].鐵道建筑，2008（6）：20-23.

（中鐵十九局集團有限公司，北京" "100176）