胡　健，陳棟宇，張非非

山區(qū)橋梁高墩選型研究

胡健1，陳棟宇2，張非非1

（1.江蘇現(xiàn)代路橋有限責任公司，江蘇 南京 210049；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 210014）

山區(qū)地形復雜，橋墩高度變化多樣，為橋墩選型帶來了一定的困難。文章以甘肅省一處跨越深溝的組合箱梁橋為探討對象，分析比較了在橋?qū)捿^窄時，不同墩高橋墩的穩(wěn)定性、承載力和工程量，提出了不同類型橋墩適用的墩高范圍。

橋梁工程；組合箱梁；高墩；設(shè)計；比選

一般來說，橋墩型式的選取需綜合考慮上部結(jié)構(gòu)類型、跨徑、墩高、荷載等參數(shù)［1］，通過計算、分析、比選后才能確定。對于不同地區(qū)，考慮到設(shè)計認知、施工水平和習慣等的差別，其橋墩型式也有差異，比如40 m的墩高，在湖南、重慶，考慮雙柱實心墩居多，而在甘肅，設(shè)計都偏向于使用矩形墩，在30 m以下才考慮雙柱實心墩［2］。本文以甘肅213省道工程為依托，進行了高墩形式選擇和探討。

1　橋墩的比選

該橋跨越隧道前段的一處V形深溝。擬定了兩個方案，推薦方案是主跨90 m的連續(xù)剛構(gòu)，比較方案是7×40 m組合箱梁，從小里程樁至大里程樁墩高分別為11.8 m、31.6 m、58 m、64 m、35.2 m、21.2 m，通過搜集相關(guān)山區(qū)橋梁高墩資料［2］，發(fā)現(xiàn)30～60 m范圍內(nèi)高墩的選型標準較為多樣，各地區(qū)存在較大差異。例如50 m的高墩，有的地區(qū)采用矩形實體墩，也有的采用空心薄壁墩；30 m的高墩，有的地區(qū)采用柱式墩，也有的采用矩形墩；因此本工程在選擇墩型時較為不便。

由于項目路線跨越甘南山區(qū)，為了給橋墩的選型、尺寸的擬定提供依據(jù)，通過建立midas模型對橋墩進行屈曲穩(wěn)定性、承載力、工程量方面的比選分析，確定各墩高的橋墩型式及其適用范圍。

30～60 m區(qū)間常見的橋墩型式見圖1［3］。

圖1　3種基本橋墩型式

若橋墩過高，采用坡率為1∶50～1∶100的變截面高墩，以增加橋墩的穩(wěn)定性和承載力，見圖2。

圖2　等截面薄壁墩和變截面薄壁墩

本文以甘肅213省道工程為依托，對30～60 m區(qū)間的墩高選型進行探討，路線在K50+430.000處跨越了納木橋東岔地區(qū)V形深溝，溝深約80 m，溝寬260 m左右，路線與河流交角60°，橋梁按正交設(shè)計。全橋跨徑組合為7×40 m，橋梁全長288.8 m，橋梁寬度為10 m。上部結(jié)構(gòu)為40 m裝配式預應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁；下部橋墩采用薄壁墩、柱式墩［4］，橋臺采用樁柱式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋型圖見圖3、圖4。

主要施工方法為：上部裝配式箱梁部分采用預制安裝方法施工；橋墩采用滑模施工。

圖3　納木橋東岔大橋橋型圖（單位：cm）

圖4　納木橋東岔大橋橫斷面

本文對該橋橋墩寬度進行了專項探討，分別就該橋可能選用的薄壁變截面墩、矩形變截面墩、圓柱墩在30～70 m區(qū)間的穩(wěn)定性、承載力、工程量等性能進行分析對比，從而找出更適宜該種墩高和受力狀態(tài)的橋墩類型。

經(jīng)過對該橋橋墩初擬尺寸后［3-4］，進行受力分析，得出該橋單墩上部恒載反力N1=5 187 kN，活載反力N2=1 375.4 kN；當墩高64 m時，橫橋向所受風力W=1 732 kN；同時作用于橋墩的還有縱橋向制動力F=330 kN；在這3種主要外力作用下，首先分析各種墩高下的橋墩穩(wěn)定性，變截面墩均按1∶100坡度放坡。

2　橋墩穩(wěn)定性分析

考慮到橋?qū)捿^窄，上部構(gòu)造對橋墩約束能力較弱，采用放松上部的簡化方式對橋墩進行分析［1］，約束橋墩底部截面，橋墩上段處于自由狀態(tài)。建立midas模型，利用midas的屈曲分析功能［5］進行計算分析。

3種橋墩的墩高-臨界荷載系數(shù)曲線見圖5～圖7。

圖5　薄壁墩墩高-臨界荷載系數(shù)曲線

圖6　矩形墩墩高-臨界荷載系數(shù)曲線

圖7　圓柱墩墩高-臨界荷載系數(shù)曲線

由圖5～圖7可以發(fā)現(xiàn)：

（1）薄壁墩30～40 m區(qū)間臨界荷載系數(shù)下降較其它區(qū)段快，且30 m時的臨界荷載系數(shù)過大，超過了120；

（2）矩形墩30～40 m區(qū)間臨界荷載系數(shù)下降較快，且30 m時的臨界荷載系數(shù)過大，超過150；

（3）對于圓形墩，在滿足承載力要求的柱徑尺寸前提下，40 m以上墩柱其臨界荷載系數(shù)增長較快。

綜上所述，30～40 m區(qū)間，薄壁墩和矩形墩的穩(wěn)定承載力儲備過大，臨界荷載系數(shù)過大，說明：薄壁墩和矩形墩較適宜40 m以上的墩高，在40 m以上墩高區(qū)間其穩(wěn)定性承載力能被充分利用；而圓柱結(jié)構(gòu)隨著柱徑增大，其穩(wěn)定性有較明顯的改善。

3　橋墩承載力分析

承載力分析采用橋梁博士，分析以受力最大的墩底截面為準，橋墩所受荷載與前述穩(wěn)定性分析相同。橋墩配筋采用25#鋼筋為主筋，圓柱墩以10 cm間距均勻配置，矩形墩和薄壁墩以12 cm間距均勻配置。3種橋墩的墩底承載力與墩高關(guān)系曲線見圖8～圖10。

圖8　薄壁墩墩高-承載力曲線

圖9　矩形墩墩高-承載力曲線

圖10　柱式墩墩高-承載力曲線

由圖8～圖10可以發(fā)現(xiàn)：

（1）薄壁墩30～40 m區(qū)間承載力增長較快，40～50 m區(qū)間承載力幾乎沒有增長，50 m以后承載力又有小幅增長；

（2） 矩形墩30～70 m區(qū)間承載力始終保持均勻的增長；

（3）對于圓形墩，在滿足承載力要求的柱徑尺寸前提下，40～50 m區(qū)間承載力較其它區(qū)間有較快的增長。

由上述可以看出，薄壁墩在40 m高度以后有較大承載力，矩形墩承載力隨墩高均勻變化，圓柱墩在30～40 m和50 m以后承載力增長會遭遇瓶頸，且50 m以后承載力增幅緩慢。

4　橋墩工程量分析

在工可階段要重視工程量的分析，因為工程量影響到造價，控制著工程規(guī)模。特別是對于高墩橋梁，橋墩的工程量對整個橋梁的規(guī)模和造價有著重大的影響。因此擬定好橋墩的尺寸至關(guān)重要，經(jīng)過對比同類工程和參考相關(guān)公式，初步擬定薄壁墩墩頂尺寸6 m×2.2 m，墩底尺寸7.28 m×4.76 m，壁厚0.5 m；矩形墩的墩頂和墩底尺寸同薄壁墩；圓柱墩在滿足承載力要求下的最小尺寸為30 m采用1.6 m柱徑、40 m采用2.0 m柱徑、50 m采用2.5 m柱徑、60 m采用3 m柱徑。

通過計算分析，得出3種橋墩形式的墩高-砼量曲線，見圖11～圖13。

圖11　薄壁墩墩高-砼量曲線

圖12　矩形墩墩高-砼量曲線

圖13　圓柱墩墩高-砼量曲線

由圖11～圖13可以發(fā)現(xiàn)：

（1）薄壁墩和矩形墩所使用的混凝土量隨墩高呈均勻變化；

（2）矩形墩墩高在70 m時其混凝土用量達到了1 600 m3以上，是同等高度薄壁墩混凝土用量的2.7倍，在60 m時其混凝土用量達到了1 300 m3，是同等高度柱式墩的3倍。

（3）柱式墩在40 m高度以后，其混凝土用量迅速上升，且柱徑變得過大。

由上述可以看出，矩形墩混凝土用量在60 m以后會很大，為其他橋墩結(jié)構(gòu)形式的2倍以上，而柱式墩混凝土用量在40 m以后會陡然上升，并且柱徑會變得過大，導致墩柱和樁基施工困難。

5　結(jié)論

通過穩(wěn)定性、承載力和工程量方面的分析，得出山區(qū)公路較窄橋梁（本文納木橋東岔大橋橋?qū)?0 m），在常規(guī)受力狀態(tài)下，其橋墩型式選取的原則如下：

（1）40 m以下墩高，宜采用圓柱墩；

（2）40～60 m墩高，宜采用矩形墩；

（3）薄壁墩適用范圍較廣，但考慮到其施工較復雜的特點，最合適的墩高范圍是大于50 m。

納木橋東岔大橋6個墩墩高分別為11.8 m、31.6 m、58 m、64 m、35.2 m和21.2 m，選取3#、4#墩為薄壁墩，其余均采用柱式墩。

［1］康文靜.高墩設(shè)計理論探討［D］.湖北：華中科技大學，2006.

［2］時翠芳.山區(qū)高墩墩頂水平位移及墩型比選探討［D］.西安：長安大學，2013.

［3］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.

［4］宋雪蕾.山區(qū)高墩橋梁布設(shè)的幾點注意事項［J］.中國水運. 2010（11）：211-212.

［5］邱順冬.橋梁工程軟件midas Civil常見問題解答［M］.北京：人民交通出版社，2009.

Study on Bridge High Pier Selection in Mountain Area

Hu Jian1， Chen Dongyu2， Zhang Feifei1
（1. Jiangsu Modern Highway Bridge Co. Ltd.， Nanjing 210049， China；2. Jiangsu Provincial Transpotation Planning & Design Institute Co.， Ltd， Nanjing 210014， China）

The mountainous terrain was complex， and the height of bridge pier varied，which brought some difficulties to the bridge pier selection. Based on a composite box grider across the deep ditch in Gansu province， this paper studied and compared the stability， bearing capacity and engineering quantity of bridge pier with different height when the bridge width was narrow. It put forward the height applicability of different types of bridge pier.

bridge engineering； composite box girder； high pier； design； comparison

U442.5+4

A

1672-9889（2015）06-0036-04

胡?。?981-），男，江蘇溧水人，工程師，主要從事公路養(yǎng)護、設(shè)計、咨詢等工作。

（2015-03-17）