楊 斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

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大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩結(jié)構(gòu)形式方案研究

楊 斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩除了需要滿足結(jié)構(gòu)以及施工運營階段的最小縱、橫向剛度要求外，應盡可能使其具有較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度，同時使其經(jīng)濟性最優(yōu)。以興保鐵路安家山河大橋剛壁墩為工程背景，論述大跨高墩設(shè)計中的控制因素及要求。分析比較A形墩、矩形空心墩和雙薄壁墩的構(gòu)造特點及適用條件，對安家山河大橋剛壁墩不同墩形的設(shè)計指標進行深入的研究比較，并對其剛壁墩選型提出合理建議。研究表明，對于大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，當相鄰剛壁墩墩高相差過大時，矩形空心墩和雙薄壁墩在更好地提供縱向柔度的同時，其縱向剛度匹配合理，且墩身圬工量較省。

連續(xù)剛構(gòu)橋 高墩 剛度 縱向柔度 圬工量

安家山河大橋為興保鐵路馮家川站內(nèi)四線橋，為跨越安家山河而設(shè)。本橋四線均為重載，各線從左至右線間距分別為5.5 m+5 m+5.3 m，設(shè)計時速120 km，處于直線和1‰的上坡段，地震基本烈度Ⅵ度。橋址區(qū)位于黃土峁梁區(qū)、地形起伏大，沖溝發(fā)育。安家山河河底較寬，兩岸地形復雜，縱橫向坡度陡，主橋采用(80+130+80) m剛構(gòu)連續(xù)梁，橋面寬22.8 m，兩個剛壁墩墩高分別為85 m和32 m，墩高相差大。為保證結(jié)構(gòu)整體受力合理，兩個剛壁墩的選型是該連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計的關(guān)鍵點，其立面布置如圖1所示。

圖1 安家山河大橋(80+130+80) m剛構(gòu)連續(xù)梁立面布置(單位：cm)

對于鐵路高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩的設(shè)計，除了需要檢算結(jié)構(gòu)的應力及強度外，還需要對墩身縱橫向剛度、墩頂彈性水平位移及高墩的穩(wěn)定性加以特別關(guān)注。以安家山河大橋的兩個剛壁墩為工程背景，在滿足高墩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)條件下，深入研究分析了合理的橋墩結(jié)構(gòu)形式。

1 高墩設(shè)計中的控制因素

1.1 墩身剛度

高墩的墩身縱、橫向剛度是設(shè)計中需要考慮的關(guān)鍵因素。對于連續(xù)剛構(gòu)橋來說，梁體本身與剛壁墩柱所承擔的彎矩取決于兩者的相對剛度，而且剛壁墩柱的抗推剛度與梁體的收縮、徐變及溫度應力也直接相關(guān)。墩身剛度越大，所分擔的內(nèi)力就越大，剛壁墩墩頂負彎矩大，梁自身的抗彎能力不能有效發(fā)揮作用。在懸臂施工過程中，梁體會產(chǎn)生不平衡彎矩，設(shè)計中需要考慮橋墩本身應具備一定的抗彎剛度和抗扭剛度。還應采用合適的墩梁剛度比，這對于全橋結(jié)構(gòu)受力合理、最大限度發(fā)揮材料的力學性能和降低工程造價十分重要。

通常來講，剛壁墩的橫向約束與縱向約束相比相對較弱，特別是橫向在受到不平衡荷載作用時，橋墩容易產(chǎn)生扭曲、變位。這時可以通過增加下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度來增大剛壁墩的橫向穩(wěn)定。設(shè)計中通常以結(jié)構(gòu)的自振頻率來控制其橫向剛度，參考南昆鐵路四橋設(shè)計的要求，以第一階橫向自振周期不大于1.7s[1]控制。

由此可以得出，應盡可能使橋梁結(jié)構(gòu)具有較大的橫向剛度和一定的縱向柔度，這樣橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計才是最合理的，對于連續(xù)剛構(gòu)橋來說，此時上部梁體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與連續(xù)梁很接近。

1.2 墩頂彈性水平位移

為了保證運營時線路穩(wěn)定，列車能迅速安全通過，必須使橋墩具有足夠的水平剛度，也就是必須限制墩頂?shù)膹椥运轿灰?。因此，在連續(xù)剛構(gòu)橋剛壁墩墩身截面設(shè)計中，必須檢算墩頂?shù)乃轿灰剖欠駶M足要求。

墩頂縱向水平位移與墩身縱向剛度密切相關(guān)。設(shè)計時，當橋墩的縱向剛度過大，由活載作用、制動力、溫度力、自身的混凝土收縮徐變引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力相應增加；當橋墩的縱向剛度過小時，其自身的墩頂水平位移相應增加。同樣，墩頂?shù)臋M向水平位移與墩身橫向剛度也息息相關(guān)。

1.3 墩身的穩(wěn)定性

高墩設(shè)計中另外一個控制因素是墩身的穩(wěn)定性。與實體墩相比，薄壁空心墩圬工量節(jié)省的同時，還能提供較大的截面慣性矩，墩身剛度容易滿足要求，混凝土材料的力學性能得到充分的發(fā)揮，通過對薄壁墩壁厚與邊長比值的限制來保證其局部穩(wěn)定性。由實驗分析可知，當壁厚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)[1]。

2 橋墩結(jié)構(gòu)選型

實際工程設(shè)計中，墩頂水平位移，墩身剛度、強度、穩(wěn)定性等控制因素是重點關(guān)注對象，為了滿足要求，大跨高墩多采用A形墩、矩形空心墩和雙薄壁墩。三種墩型分別具有如下特點，設(shè)計中應根據(jù)需要選擇合適的截面形式。

(1)A形橋墩結(jié)構(gòu)形式能有效解決超高墩橋梁橫向剛度的難題，同時還能節(jié)省材料，具有結(jié)構(gòu)剛度大、適用性強、投資省、運營養(yǎng)護成本低等優(yōu)點，可為山區(qū)鐵路跨越高峽、深谷提供強有力的技術(shù)支持。

(2)矩形空心墩與雙薄壁墩相比，雖然其柔度不及雙薄壁墩，但矩形空心墩較雙薄壁墩的抗扭能力好，抗推能力強，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)也比雙薄壁墩大；而雙薄壁墩的抗彎能力比矩形空心墩大，墩身允許的水平位移也大；當墩高增加，矩形空心墩的允許縱向位移也隨之增大。

(3)采用雙薄壁墩，墩高一般都不大，為了能夠提供較大的整體抗彎剛度和較小的縱向抗推剛度，可以使雙薄壁墩保持一定的距離，這樣可減少墩柱對梁體的約束，墩頂處梁的受力也相應減小，達到了降低墩頂負彎矩的目的，具有較明顯的“削峰”作用。

(4)當剛壁墩墩高超過百米時，A形墩和矩形空心墩在較好滿足縱向柔度的同時，還能提供相當大的橫向剛度，但A形墩施工模板較為復雜，難度較大。鐵路橋墩設(shè)計中，采用雙薄壁墩時，一般保證墩高不超過百米，當墩高較高時，則需要較大的橫向截面尺寸，必要時還需增加縱向橫聯(lián)。此時，圬工量相應增加，較A形墩和矩形空心墩相比，經(jīng)濟性較差。

3 安家山河大橋剛壁墩結(jié)構(gòu)形式選擇

安家山河大橋主橋孔跨布置為(80+130+80)m連續(xù)剛構(gòu)，可研設(shè)計階段，為保證85m高的剛壁墩滿足墩身橫向剛度要求，減小基礎(chǔ)規(guī)模，采用A形墩形式。但初步設(shè)計階段，根據(jù)線路總體設(shè)計方案的調(diào)整，本橋橋上線路由雙線調(diào)整為四線，孔跨形式及橋墩高度不變。由于四線橋墩橫向尺寸大，其橫向剛度不再是控制因素，故在保證結(jié)構(gòu)安全、造價經(jīng)濟的前提下，剛壁墩墩形方案存在優(yōu)化的空間。

安家山河大橋5號高墩選擇A形墩與矩形空心墩兩種墩形作為備選對象；6號矮墩選擇矩形空心墩與雙薄壁墩兩種墩形作為備選對象。為比較不同墩型的優(yōu)劣，保持橋墩截面尺寸及其他參數(shù)不變，采用MidasCivil有限元程序建立不同墩型組合的3個模型，通過結(jié)構(gòu)自振頻率、墩頂位移、縱向剛度、混凝土量的差異進行對比分析。

3.1 方案一

5號高墩采用A形墩和矩形空心墩，矮墩采用矩形空心墩，如圖2所示。

圖2 方案一

通過檢算對比分析，兩種橋墩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計指標如表1所示。

表1 不同墩身結(jié)構(gòu)形式設(shè)計指標對比

計算結(jié)果表明：5號高墩分別采用A形墩和矩形空心墩，結(jié)構(gòu)自振頻率均可滿足規(guī)范要求；墩頂縱向位移和縱向剛度值均滿足規(guī)范要求，二者差別不大。但矩形空心墩的墩身混凝土數(shù)量較A形墩節(jié)省較多?？梢?號墩采用矩形空心截面不但節(jié)省了工程數(shù)量，同時還保證了橫向剛度，減輕了墩身自重，從而優(yōu)化了基礎(chǔ)設(shè)計。3.2 方案二

在選定5號高墩的墩形方案后，通過合理的縱向剛度匹配來確定6號矮墩的墩形，矮墩分別采用矩形空心墩和雙薄壁墩，如圖3所示。

圖3 方案二

通過檢算對比分析，兩種橋墩結(jié)構(gòu)形式計算指標如表2所示。

表2 不同墩身結(jié)構(gòu)形式設(shè)計指標對比表

計算結(jié)果表明：6號矮墩分別采用雙薄壁墩和矩形空心墩，在自振頻率和墩頂位移均滿足規(guī)范要求的前提下，其縱向剛度分別為2 577 kN/cm和20 833 kN/cm，而5號高墩的縱向剛度為1 347 kN/cm，6號矮墩采用雙薄壁墩時，兩墩的縱向剛度更接近，結(jié)構(gòu)體系受力最合理，且雙薄壁墩墩身混凝土較矩形空心墩減少14.1%。

安家山河大橋兩個剛壁墩結(jié)構(gòu)形式采用了矩形空心截面和雙薄壁實心截面。保證了全橋結(jié)構(gòu)的合理性，減少了混凝土的工程量，同時墩形簡潔，施工方便。

4 結(jié)束語

大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中，其橋墩結(jié)構(gòu)的選型是此類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。興保鐵路安家山河大橋兩個剛壁墩墩高相差較大，采用了矩形空心墩和雙薄壁墩的截面形式，不僅使全橋結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)，還減少了混凝土的工程量，墩形簡潔，施工方便，尤其適用于山區(qū)大跨高墩橋梁。

[1] TB 10002. 1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]

[2] 鐵道部第四勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊：橋梁墩臺[M].北京:中國鐵道出版社，1999

[3] 建鑒[1992]93號關(guān)于南昆鐵路四座大橋橫向剛度的補充技術(shù)要求[S]

[4] 張揚.鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋高墩設(shè)計方案研究[J].高速鐵路技術(shù)，2014(4):77-81

[5] 周維.大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋超高墩行為分析[D].成都:西南交通大學，2008

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[8] 彭元誠，方秦漢，李黎.超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2006，35(4):30-33

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[10]李衡山.大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩截面研究[D].長沙：湖南大學，2004

Pier Structure Research of Long-Span Continuous Frame Bridge

YANG Bin

2016-06-03

楊 斌(1984—)，男，畢業(yè)于蘭州交通大學橋梁工程專業(yè)，工學碩士，工程師。

1672-7479(2016)05-0088-03

U448.23； U443.2

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