索慧敏,郭紅雨

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

山區(qū)橋梁高墩設計研究

索慧敏,郭紅雨

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

高墩在山區(qū)橋梁建設中的應用越來越廣泛，文章結(jié)合貴州省盤縣至興義高速公路項目，對典型山區(qū)橋梁的高墩從高墩類型選擇、高墩受力及高墩穩(wěn)定性幾方面進行了研究分析，可供今后同類橋梁的高墩設計參考。

山區(qū)橋梁；高墩；橋墩計算長度；穩(wěn)定分析

1　工程概況

貴州地處云貴高原東側(cè)，境內(nèi)山多地少，地形起伏較大，溝深坡陡，素有“地無三尺平”之稱。在建的貴州省盤縣至興義高速公路采用雙向4車道高速公路標準建設，路線全長61.374 km，路基寬度為24.5 m，汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級，橋梁比例高達30%，高墩橋梁眾多，百米以上高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁2座，其中下平川特大橋主跨采用160 m變截面連續(xù)剛構(gòu)，最大墩高142 m，工程規(guī)模巨大。

2　高墩類型的選擇

2.1裝配式梁橋

山區(qū)橋梁根據(jù)工程造價及施工難度、施工標準化的需求，上部結(jié)構(gòu)多采用30~50 m跨徑的裝配式T梁及箱梁橋，此類橋型下部橋墩形式主要有柱式墩、薄壁墩、雙肢薄壁墩、空心墩和Y型墩等。一般墩高40 m以下時，可采用柱式墩，當墩高在40~50 m時，可采用具有較大剛度的實心薄壁墩，當墩高大于50 m時，一般采用空心薄壁墩、雙肢薄壁墩。在實際工程中，具體到每座橋，應綜合考慮，當橋墩形式和尺寸種類較多時，應注意適當歸并，以提高模板利用率，方便施工，同時也應考慮景觀效果。

由于山區(qū)橋梁的特殊性，往往同一座橋梁中，墩高也會差異甚大，橋墩結(jié)構(gòu)形式和尺寸應根據(jù)橋墩高度結(jié)合施工和運營階段受力情況綜合確定。從施工角度出發(fā)，雙圓柱墩使用頻率最高，其適用墩高范圍可從幾米一直到幾十米，貴州盤興高速公路夾馬石特大橋最大墩高47 m，設計采用等截面形式，墩柱直徑2.0 m，上部采用30 m跨徑T梁。從經(jīng)濟及受力角度出發(fā)，采用空心墩混凝土可節(jié)約40%左右，且空心墩的彎剪扭性能較高，因此空心墩要優(yōu)于實心墩。貴州盤興高速公路黑箐大橋最大墩高達到82 m，設計截面采用6.5 m×3.6 m，壁厚0.55 m，墩身內(nèi)設置1道橫隔板。

2.2大跨連續(xù)剛構(gòu)

當路線跨越深溝壑谷時，為降低施工難度往往采用懸澆施工的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁，下部結(jié)構(gòu)設計既要能夠抵抗對設計起控制作用的風荷載，又要滿足懸臂施工和成橋兩種狀態(tài)下的穩(wěn)定要求，因此，理想的橋墩應具有較大的抗彎剛度和適當?shù)目雇苿偠?。橋墩形式一般常采用雙肢薄壁墩和單箱墩，墩高較低時為了增加美感也有采用X型、Y型和V型墩等。近幾年國內(nèi)建成的有代表性的幾座高墩大跨剛構(gòu)橋，如湖北龍?zhí)逗犹卮髽蜃畲蠖崭?75 m，采用雙肢變截面薄壁墩，貴州赫章特大橋最大墩高達195 m，采用單肢變截面箱墩。正在施工的貴州盤興高速公路下平川特大橋，主跨160 m，最大墩高142 m，考慮施工方便，設計采用單肢等截面箱型墩，如圖1所示。

圖1　橋墩構(gòu)造剖面（單位：mm）

3　高墩受力研究

3.1計算模式與荷載

根據(jù)橋梁總體布跨情況，縱向計算應選取最不利一聯(lián)，忽略梁體的縱向變形，各墩臺頂按縱向合成抗推剛度分配縱向水平力，加上作用于墩頂?shù)呢Q向力及彎矩，分別進行力學分析，求得墩頂、底最大內(nèi)力。橫橋向可直接簡化為單懸臂梁計算墩底最大內(nèi)力。

橋墩在橋梁結(jié)構(gòu)中起到承受上部荷載，并將上部荷載及其自重傳遞給基礎的作用，因此主要承受永久荷載、可變荷載和偶然荷載。對于山區(qū)鋼筋混凝土橋墩，主要控制設計的荷載如下：永久荷載包括結(jié)構(gòu)重力、混凝土收縮和徐變影響力、基礎變位影響力；可變荷載包括汽車、人群荷載、以及由車輛荷載產(chǎn)生的沖擊力、離心力及制動力、風荷載、溫度（均勻溫度和梯度溫度）荷載；偶然荷載主要包括地震荷載。針對大跨橋梁尚應考慮施工最大懸臂時的不平衡彎矩，以此來確定主墩的合理剛度。由此可知，高墩在承受巨大上部豎向荷載的同時，也承受著較大的彎矩，屬于典型的偏心受壓構(gòu)件。應根據(jù)最不利荷載組合結(jié)果，按照偏心受壓構(gòu)件驗算橋墩的承載能力、裂縫以及穩(wěn)定性。對于矩形實心橋墩，裂縫驗算時應注意文獻［1］中公式的適用范圍［2］。對于空心橋墩，可視為空間殼體或組合板式結(jié)構(gòu)，應特別注意驗算溫度應力、固端干擾應力及局部穩(wěn)定問題。

3.2高墩計算長度

驗算高墩的承載力、裂縫等均涉及到橋墩計算長度l0的取值，關于計算長度的算法，工程界至今一直沒有定論。計算長度l0的幾何意義是：中心受壓桿失穩(wěn)后，撓度曲線上兩個相鄰反彎點（彎矩為零）間的距離。文獻［1］規(guī)定：當構(gòu)件兩端固定時，構(gòu)件的計算長度取0.5l；當一端固定一端為不移動的鉸時，取0.7l；當兩端均為不移動的鉸時，取1.0l；當一端固定一端自由時取2.0l，l為構(gòu)件兩支點間長度。橋梁實際的支撐條件與理想的邊界條件有一定出入，因此本文對高墩進行了一類穩(wěn)定分析，通過臨界荷載求得計算長度。研究發(fā)現(xiàn)橋墩計算長度與橋墩直徑、墩高組合、橋墩類型、基礎條件以及上、下部結(jié)構(gòu)間的連接形式均有關系。以盤興高速公路上4×40 mT梁為例，下部結(jié)構(gòu)采用雙圓柱墩，橋梁上、下部采用板式橡膠支座連接時，不同墩高下橋墩的計算長度系數(shù)如表1所示，以墩高35 m為例，不同基礎條件時橋墩的計算長度如表2所示，不同汽車荷載條件時橋墩的計算長度如表3所示。

表1　計算長度系數(shù)與墩高的關系

從表1中縱向計算結(jié)果來看，數(shù)值與一端鉸接但可移動，一端固結(jié)的支撐條件較相符，此支撐條件下，美國AASHTO 規(guī)范和英國BS 5400 規(guī)范中規(guī)定的橋墩計算長度分別為2.1l和2.3l［3］。這與實際情況也是相符的，因為高墩本身具有一定柔性，墩頂勢必隨上部結(jié)構(gòu)在水平力作用下移動。橫橋向由于受到墩頂蓋梁的限制，橋墩計算長度在1.3l左右。由表2、表3可知，對于樁柱式橋墩，考慮基礎后橋梁整體的穩(wěn)定系數(shù)變小，橋墩的計算長度系數(shù)有減小趨勢；汽車荷載則對橋墩計算長度影響不大。

表2　計算長度系數(shù)與基礎的關系

表3　計算長度系數(shù)與汽車荷載的關系

4　高墩穩(wěn)定性能評估

薄壁高墩的穩(wěn)定問題與強度同等重要，一直以來都受到工程界的重視。本文針對貴州盤興高速公路上的高墩T梁橋及高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋分別進行了高墩的穩(wěn)定分析。

4.1高墩整體穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)外力增加到某一量值時，穩(wěn)定的平衡狀態(tài)開始喪失，外界稍有擾動，結(jié)構(gòu)變形迅速增大，從而失去正常工作能力的現(xiàn)象。目前主要研究如下兩類穩(wěn)定問題：第一類是平衡分支點失穩(wěn)，以小變形理論為基礎，第二類是極值點失穩(wěn)，以大變形非線性理論為基礎l［4］。

本文采用Midas有限元軟件建立穩(wěn)定分析模型，求得80 m高墩T梁橋1階模態(tài)為面內(nèi)失穩(wěn)（縱向側(cè)傾），線彈性穩(wěn)定系數(shù)為11.1，考慮非線性后穩(wěn)定系數(shù)為2.2，可見常規(guī)高墩橋梁整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的穩(wěn)定分析結(jié)果如表4所示。

由表4可知，兩種狀態(tài)下該橋1階線彈性穩(wěn)定系數(shù)均大于4，可滿足規(guī)范要求。設計采用墩頂橫系梁后，結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性大大提高，成橋后全橋由橫向失穩(wěn)變?yōu)榭v向失穩(wěn)?？紤]風荷載及溫度梯度造成的結(jié)構(gòu)初始彎曲的非線性影響后，施工最大懸臂及成橋狀態(tài)下1階穩(wěn)定系數(shù)分別降低至8和23.4。

表4　下平川特大橋整體穩(wěn)定分析

4.2高墩局部穩(wěn)定性

薄壁矩形截面空心墩的局部穩(wěn)定可根據(jù)四邊簡支板的彈性屈曲理論分析得到，通過有限元分析，其中彈性屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)可取5，則有：

式中：fck為混凝土軸心抗壓強度標準值；Ec為混凝土的彈性模量。

盤興高速公路T梁橋墩采用C40混凝土，由此可求得，避免橋墩發(fā)生局部失穩(wěn)的寬厚比限值為29。國外的試驗研究表明，當截面的凈寬厚比小于15時，才不會發(fā)生局部失穩(wěn)。盤興高速項目高墩的寬厚比計算結(jié)果如表5、表6所示。

表5　盤興高速T梁矩形空心橋墩截面寬厚比

從表中可以看出，設計截面尺寸均在容許寬厚比以內(nèi)，橋墩出現(xiàn)局部失穩(wěn)的風險很小，因此，薄壁墩局部穩(wěn)定不控制設計。從施工便捷性考慮，設計可考慮取消空心高墩中的橫隔板。

表6　下平川特大橋矩形空心橋墩的截面寬厚比

5　結(jié)論

通過本文的研究可得出如下結(jié)論：

（1）高墩的選型、設計是山區(qū)橋梁設計的關鍵。合理的橋墩形式既可以方便施工，又可以節(jié)約造價。

（2）高墩屬于典型的偏心受壓構(gòu)件，橋墩計算長度的選取直接影響計算結(jié)果的準確性。而影響計算長度的因素很多，本文通過穩(wěn)定計算給出了供設計參考的建議值。

（3）空心墩中的橫隔板主要影響橋墩的局部屈曲穩(wěn)定，對整體穩(wěn)定影響可以忽略，設計可通過限制截面寬厚比使得高墩的局部穩(wěn)定問題不控制設計。

（4）當橋墩較高時，大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁采用等截面箱型薄壁墩既可以滿足施工及運營階段強度和穩(wěn)定要求，又可以方便施工，是較理想的橋墩形式。

［1］JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

［2］ 鄧道祥.矩形偏心受壓混凝土構(gòu)件的裂縫計算［J］.市政技術，2008，26（6）：545-546.

［3］ 袁倫一.關于箱形截面連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)設計的兩點芻議［J］.公路，2009（7）：94-98.

［4］馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋［M］.北京：人民交通出版社，2001.

Design and Research on High Pier of Mountainous Bridge

Suo Huimin, Guo Hongyu
（JSTI Group, Nanjing 210017, China）

The high piers had been more and more extensively used in bridge construction. Based on the project of Pan-Xing expressway in guizhou province, this paper analyzed the high pier of typical mountainous bridge from the type selection, the stress and the stability of high pier. It could provide good reference for the design of high pier for the same type bridges.

mountainous bridge; high pier; effective length of pier; stability analysis

U443.22

B

1672-9889（2015）04-0049-05

索慧敏（1981-），女，山西大同人，工程師，主要從事交通行業(yè)橋梁結(jié)構(gòu)設計工作。

（2014-11-09）