張 揚

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁院，北京 102600)

連續(xù)剛構(gòu)橋高墩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及選型研究

張 揚

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁院，北京 102600)

隨著我國山區(qū)鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，高墩大跨橋梁的應(yīng)用更加廣泛。為了研究高墩設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，以準(zhǔn)朔鐵路大沙溝橋剛構(gòu)主墩為工程背景，對墩身縱、橫向剛度，墩頂彈性水平位移以及高墩的穩(wěn)定性進行詳細(xì)論述，介紹不同墩身截面形式的構(gòu)造特點和適用范圍，對剛構(gòu)墩不同的橫向墩身結(jié)構(gòu)類型進行對比分析，并對大沙溝橋橫向墩型進行優(yōu)化設(shè)計。總結(jié)了高墩設(shè)計中的一些關(guān)鍵技術(shù)，為類似高墩橋的設(shè)計及墩型選擇提供參考。

鐵路橋；連續(xù)剛構(gòu)橋；高墩；剛度；穩(wěn)定性

1 概述

近年來隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，線路穿越的山區(qū)溝壑地帶需要修建更多橋梁，使得高墩大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用更加廣泛。這種橋梁結(jié)構(gòu)具有跨越能力大，養(yǎng)護工作量小，懸臂灌注節(jié)約機具和臨時輔助設(shè)施，減少體系轉(zhuǎn)換等優(yōu)點。準(zhǔn)朔鐵路大沙溝特大橋，地處低中山區(qū)黃土坡及沙溝谷地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜且地面相對高差大。根據(jù)當(dāng)?shù)靥厥獾牡匦翁攸c、施工難易程度、工程造價及施工周期等因素，該橋孔跨布置為：10-32 m簡支T梁+2-(60+3×100+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁+(8-64 m+1-48 m+1-64 m)節(jié)段拼裝簡支箱梁，大橋全長1834.080 m。大沙溝橋墩高差別較大，17號、18號剛構(gòu)墩達(dá)到106 m，超高墩的選型是該連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，大橋立面布置見圖1。

圖1 大沙溝橋主橋2-(60+3×100+60) m剛構(gòu)連續(xù)梁立面布置(單位：cm)

百米以上高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計，除了需要進行傳統(tǒng)的應(yīng)力及強度檢算外，更關(guān)鍵的控制因素有墩身縱、橫向剛度，墩頂彈性水平位移及高墩的穩(wěn)定性等。以大沙溝橋主橋17號剛構(gòu)墩為工程背景，在滿足高墩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)條件下，對如何確定合理的墩身截面形式以及橫向墩身類型進行了深入對比研究。

2 高墩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 墩身縱、橫向剛度

高墩設(shè)計中，墩身剛度往往是控制設(shè)計的一個重要因素。剛構(gòu)墩柱與梁體的彎矩分配決定于兩者的相對剛度，且梁體的收縮、徐變及溫度應(yīng)力與剛構(gòu)墩柱的抗推剛度也直接相關(guān)。橋墩的剛度大則其分得的內(nèi)力大，不能有效地發(fā)揮梁身的抗彎能力，而且使得梁在墩頂處的受力很大，達(dá)不到降低墩頂負(fù)彎矩的目的。此外，梁體懸臂施工過程中產(chǎn)生的不平衡彎矩，要求橋墩具備一定的抗彎、抗扭剛度。合適的墩梁剛度比既能滿足全橋的縱向剛度，又能改善梁體的內(nèi)力分布，充分發(fā)揮材料的受力性能。

在相同墩頂縱向剛度條件下，基礎(chǔ)剛度大，墩身就可以設(shè)計的較柔些；基礎(chǔ)剛度越小，墩身則必須設(shè)計剛勁些。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時，為滿足墩頂縱向剛度要求，墩身剛度則需要進行相應(yīng)的調(diào)整。因此，為減少下部結(jié)構(gòu)對橋梁的縱向變形約束，橋梁墩身和基礎(chǔ)的縱向抗推剛度應(yīng)較小。

剛構(gòu)橋墩的橫橋向約束一般相對較弱，在橫向不平衡荷載作用下，橋梁易產(chǎn)生扭曲、變位，為增大其橫向穩(wěn)定性，下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度應(yīng)滿足一定要求。設(shè)計中橫向剛度一般采用控制結(jié)構(gòu)自振頻率為主，參考南昆鐵路四橋設(shè)計的要求，以其第一橫向自振周期不大于T=1.7 s控制[1-3]。

可見，在能使橋梁結(jié)構(gòu)有一定縱向柔度的同時，橫向剛度較大并能滿足相關(guān)要求是橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計需要達(dá)到的目標(biāo)，此時連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與連續(xù)梁很接近。

2.2 墩頂彈性水平位移

對墩頂彈性水平位移的限制，是要求橋墩具有足夠的水平剛度，以保證運營時線路穩(wěn)定，列車得以迅速安全通過。連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂位移量往往成為墩身截面設(shè)計的又一個控制條件。

墩頂縱向水平位移是與墩身縱向剛度密切相關(guān)的，如果縱向剛度過大，則會增加混凝土收縮、徐變、制動力、溫度力、活載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力；縱向剛度如果過小，則會增加墩頂水平位移量。同樣，墩頂?shù)臋M向水平位移是控制橋梁橫向剛度的要求之一。

2.3 墩身的穩(wěn)定性

墩身穩(wěn)定性是高墩設(shè)計中必須要滿足的又一個關(guān)鍵條件。與實體墩相比，薄壁空心墩能用較少的材料數(shù)量獲得較大的截面抵抗慣性矩，既能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，又滿足墩身剛度要求。薄壁墩的局部穩(wěn)定，可以通過限制壁厚與邊長的比值來得以保證，局部穩(wěn)定從實驗分析得出，當(dāng)壁厚t≥(1/10～1/15)b時，一般空心墩可不設(shè)置隔板(b為薄壁矩形空心墩板寬)[7]。

此外，薄壁空心墩當(dāng)墩身超過40 m時墩壁不宜太薄，厚壁墩與薄壁墩相比，薄壁空心墩混凝土數(shù)量較少，但鋼筋用量較多，且增加施工難度，穩(wěn)定性不易保證。

3 墩身橫截面形式的選擇

工程實踐中，為了滿足墩身強度、剛度、墩頂水平位移和墩身穩(wěn)定性等要求，連續(xù)剛構(gòu)主墩橫截面形式多采用矩形空心墩和雙薄壁墩。有些跨江河大橋，由于地質(zhì)條件需要還可設(shè)計為矩形空心墩漸變至圓端形空心墩。矩形空心墩和雙薄壁墩分別具有如下特點，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的截面形式。

(1)矩形空心墩的抗扭能力好，抗推能力強，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)比較大，但其柔度不及雙薄壁墩；雙薄壁墩的抗彎能力較大，墩身允許的水平位移大，但隨著墩身高度的增加，矩形空心墩的柔度逐漸增強，允許的縱向變位增大。

(2)當(dāng)墩柱不是特別高時，雙薄壁墩間保持一定的距離，構(gòu)成較大的整體抗彎剛度，同時其縱橋向抗推剛度較小，可減少墩柱對橋跨梁體的約束，雙薄壁墩提供的反力能削弱梁體力矩的峰值，具有較明顯的“削峰”作用[8]。

(3)矩形空心墩施工階段安全程度高于雙薄壁墩，而主梁懸臂澆筑階段，雙薄壁墩的安全程度高于矩形空心墩。

(4)當(dāng)剛構(gòu)墩墩高不小于100 m時，矩形空心墩在較好滿足縱向柔度的同時，并提供了相當(dāng)大的橫向剛度。雙薄壁墩則需要設(shè)計為較大的橫向截面形式，其經(jīng)濟指標(biāo)不如矩形空心墩[9-11]。

經(jīng)對比研究，大沙溝特大橋剛構(gòu)主墩采用矩形空心墩。矩形空心墩較雙薄壁墩對提高橫向剛度更為有利，并且本橋剛構(gòu)墩高達(dá)到百米以上，矩形空心墩能提供較好縱向柔度，使之更接近連續(xù)梁。為了保證橋墩有足夠的橫向剛度，并滿足墩身強度和墩頂位移要求，墩頂處縱橋向和橫橋向尺寸均設(shè)計為8 m，壁厚設(shè)計為1.5 m，截面設(shè)置圓弧倒角過渡，空心墩的局部穩(wěn)定性得以保證，不需設(shè)置隔板。如圖2所示。

圖2 大沙溝橋剛構(gòu)墩墩頂截面形式(單位：cm)

4 橫向墩型的確定

4.1 A形墩和變寬板形墩對比研究

山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋工程量巨大，景觀效果突出，墩型選擇應(yīng)與環(huán)境相協(xié)調(diào)。連續(xù)剛構(gòu)主墩橫向墩型一般設(shè)計為A形和變寬板形兩種形式。A形墩即采用一次放坡形式，這種墩型的優(yōu)點是混凝土方量少，施工簡捷，但如果要滿足墩身橫向剛度要求，則需要相當(dāng)大的基礎(chǔ)剛度。變寬板形墩即墩身橫向采用兩次放坡形式，即倒掃帚形，上部較陡，下部較緩，這種墩形所需要的混凝土方量較A形墩大，但對基礎(chǔ)剛度的要求不高。如圖3所示。

圖3 大沙溝橋剛構(gòu)主墩橫向墩型對比(單位：cm)

大沙溝橋剛構(gòu)墩設(shè)計中采用A形和變寬板形兩種墩身橫向結(jié)構(gòu)形式進行了對比檢算，計算結(jié)果見表1。

表1 不同墩身橫向結(jié)構(gòu)形式設(shè)計指標(biāo)對比

顯然對于大沙溝橋所處的地質(zhì)條件，為滿足全橋橫向剛度和主橋上、下部結(jié)構(gòu)的傳力要求，剛構(gòu)主墩橫向采用變寬板形墩。

4.2 變寬點高度研究

變寬板形墩橫向變寬點的高度，對墩身混凝土方量和橫向剛度都有很大影響，本文對大沙溝橋剛構(gòu)墩采用不同變寬點高度進行檢算，將其各項設(shè)計指標(biāo)進行了對比，見表2。

表2 不同變寬點墩身設(shè)計指標(biāo)對比

由表2可見，當(dāng)變寬點在1/2墩高處附近時，墩身圬工量偏大，自振頻率偏小，各項指標(biāo)較相關(guān)規(guī)范規(guī)程很富余，經(jīng)濟指標(biāo)較差。變寬點高度設(shè)置在1/4墩高時，墩身圬工量少，但其自振頻率比較接近規(guī)范規(guī)程要求，若基礎(chǔ)剛度略有變動，則墩身尺寸需要重新設(shè)計。因此，變寬點高度設(shè)置在1/3墩高時，其自振頻率、墩身混凝土方量和墩頂水平位移值均處在一個相對合理的位置，對基礎(chǔ)剛度沒有過高要求，因此大沙溝橋剛構(gòu)主墩橫向變寬點設(shè)置在1/3墩高位置。

4.3 變寬板形墩的優(yōu)化設(shè)計

剛構(gòu)墩橫向變寬板形的結(jié)構(gòu)形式，目前已建和在建橋梁有如下幾種常見的設(shè)計方案(圖4)。

方案一：外坡采用兩次變坡形式，在墩頂以下70 m采用35∶1，70 m至承臺頂采用5∶1，內(nèi)坡采用70∶1的一次變坡形式，內(nèi)昆鐵路李子溝特大橋剛構(gòu)主墩的橫向構(gòu)造采用這種設(shè)計方案。

方案二：內(nèi)外坡均采用雙變坡形式，墩頂以下70 m外坡采用35∶1、內(nèi)坡采用70∶1；70 m至承臺頂外坡采用5∶1，內(nèi)坡采用8∶1。此種結(jié)構(gòu)形式相對于方案一，在保證橫向剛度的同時節(jié)省了混凝土圬工，減輕了墩身自重，優(yōu)化了基礎(chǔ)設(shè)計。

方案三： 在方案二的基礎(chǔ)上，墩身理論變坡點處外坡設(shè)計采用R=120 m的圓弧過渡，內(nèi)坡設(shè)計了R=100 m的圓弧過渡，優(yōu)化了墩身線形，增強了與山區(qū)環(huán)境的景觀效果。

方案四： 墩頂以下20 m采用1∶0直坡形式，20 m至承臺頂外坡采用R=407.794 4 m的圓曲線直承臺頂，內(nèi)坡采用R=678.091 4 m的圓曲線至實體段上。蘭渝線新井口嘉陵江四線特大橋(84+152+76) m連續(xù)剛構(gòu)橋的剛構(gòu)主墩橫向采用這種設(shè)計方案。這種結(jié)構(gòu)橫向墩形變化沒有突變，但山區(qū)高墩一般采用滑模或者翻模法施工，施工模板較為復(fù)雜。

圖4 不同墩身橫向結(jié)構(gòu)形式設(shè)計方案(單位：cm)

大沙溝橋剛構(gòu)主墩橫向結(jié)構(gòu)形式采用了方案三，墩身內(nèi)外壁雙向變坡，減少了混凝土的工程量，設(shè)置圓弧倒角過渡，使墩形變化漸緩，增強了景觀效果；墩身橫向具有明確變寬點，墩形簡潔，山區(qū)施工方便。

5 結(jié)論

超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中，高墩的選型一般是該類橋梁設(shè)計的重點。以準(zhǔn)朔鐵路大沙溝特大橋為工程背景，對剛構(gòu)橋高墩設(shè)計的部分關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細(xì)論述，并對該橋剛構(gòu)墩截面形式、橫向墩身類型的選擇做了對比分析，得出以下結(jié)論。

(1)矩形空心墩的抗扭能力好，抗推能力強，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)比較大，雙薄壁墩柔度較好，且具有明顯減小墩頂負(fù)彎矩的作用，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的截面形式。

(2)為滿足墩身局部穩(wěn)定性的要求，空心墩壁厚需要滿足t≥(1/10～1/15)b(b為矩形截面板寬)，則可不設(shè)置隔板。為控制墩身圬工量，壁厚也不宜設(shè)置過厚，否則會造成不必要的浪費。

(3)剛構(gòu)墩的A形墩墩身橫向剛度較小，為滿足全橋橫向剛度要求，對基礎(chǔ)剛度要求較高；變寬板形墩則對基礎(chǔ)剛度沒有過高要求。

(4)變寬板形墩變寬點宜設(shè)置在1/3墩高處，并在變寬點處設(shè)置圓弧過渡，這樣可使墩身圬工量、橫向剛度及墩頂位移達(dá)到相對優(yōu)化的設(shè)計。

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Key Technology and Model Selection in Design of High-pier for Continuous Rigid Frame Bridge with High Pier

ZHANG Yang

(Bridge Design & Research Institute， China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600)

2014-01-02；

：2014-01-20

張 揚(1983—)，女，工程師，2008年畢業(yè)于中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，工學(xué)碩士，E-mail：zybest8377@163.com。

1004-2954(2014)09-0085-04

U443.22

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.021