李兆章

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)飛速發(fā)展，我國(guó)鐵路橋梁建設(shè)近20年取得了舉世矚目的成就，橋梁的作用不僅僅是跨越江河溝壑，從保護(hù)生態(tài)和節(jié)約耕地、保障城市發(fā)展等角度，橋梁都發(fā)揮著重要作用，甚至成為城市地標(biāo)性建筑。近些年新建鐵路和在建鐵路中，橋梁比例一般在50%以上，部分線路甚至超過90%[1]，在眾多的鐵路橋梁中，標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁和一般結(jié)構(gòu)連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等建設(shè)技術(shù)非常成熟，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等每個(gè)階段均有一整套完整理論或建造經(jīng)驗(yàn)供參考和學(xué)習(xí)。而部分特殊結(jié)構(gòu)橋梁特別是首次采用的新型結(jié)構(gòu)，成為控制性工程，其建設(shè)成敗關(guān)系到整個(gè)工程的安全。在特殊橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，若只關(guān)注整體結(jié)構(gòu)的指標(biāo)計(jì)算，而忽略結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)的處理，由此會(huì)造成結(jié)構(gòu)可操作性、施工質(zhì)量、耐久性等大大降低，由于細(xì)節(jié)處理不當(dāng)，在施工和運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)開裂、大變形、脫落等事故時(shí)有發(fā)生，因此一個(gè)優(yōu)秀的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該全面統(tǒng)籌細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與整體設(shè)計(jì)[2]。

以黃韓侯鐵路縱目溝特大橋5號(hào)主墩為背景，對(duì)新型柱板式空心高墩設(shè)計(jì)過程中幾個(gè)細(xì)節(jié)，從設(shè)計(jì)、施工、試驗(yàn)等方面進(jìn)行介紹。

2 工程概況

縱目溝特大橋位于黃陵—韓城—侯馬鐵路新建雙線段內(nèi)，線間距為4.0 m，設(shè)計(jì)速度160 km/h，屬于“U”形黃土溝壑區(qū)，軌面至縱目溝溝心距離129.1 m，主橋范圍內(nèi)出露地層主要為第四系黃土，三疊系中統(tǒng)砂巖、泥巖。場(chǎng)地黃土屬于中硬土，場(chǎng)地類型Ⅱ類。地震動(dòng)峰值加速度為0.109g(相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.51 s；土壤最大凍結(jié)深度47 cm。主橋孔跨布置經(jīng)過2×136 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)部分斜拉橋方案、2×136 m T構(gòu)鋼桁梁方案、(78+2×136+78)m連續(xù)剛構(gòu)方案比選，綜合安全、經(jīng)濟(jì)、施工、運(yùn)維等技術(shù)詳細(xì)分析，采用(78+2×136+78)m連續(xù)剛構(gòu)方案[3]。主橋立面布置如圖1所示。

其中，5號(hào)主墩墩高105 m，為西北鐵路第一高墩。綜合國(guó)內(nèi)超過100 m鐵路橋墩，其截面形式綜合而言均采用圓端形、矩形、A字形空心墩，橋墩結(jié)構(gòu)在任何工況下均整體受力[4]。傳統(tǒng)高墩在罕遇地震狀態(tài)下，墩身結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)時(shí)，基礎(chǔ)往往受力過大成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。本橋由于地震烈度高，且位于5～30 m的濕陷性地層內(nèi)，為減小不良地質(zhì)條件帶來的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度，借鑒房建框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，采用新型柱板式空心墩，即在罕遇地震下，連接板開裂破壞(類似建筑上的門窗)，墩柱和橫梁成為主要受力構(gòu)件保持完整(類似剪力墻和主梁)，橋墩剛度急劇下降，周期延長(zhǎng)，地震作用大幅消減。而在正常運(yùn)營(yíng)和多遇地震作用下，橋墩整體受力工作，滿足規(guī)范所要求的各項(xiàng)指標(biāo)。該新型空心高墩結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)、國(guó)外首創(chuàng)鐵路墩型，其構(gòu)造如圖2所示。

圖2 柱板式空心墩構(gòu)造(單位：cm)

主墩橫截面經(jīng)過多方案比選，墩柱采用正四邊形倒50 cm半徑圓弧截面形式，墩柱內(nèi)切圓半徑從墩頂3 m漸變至墩底5.5 m；連接板與墩柱之間連接為減小應(yīng)力集中，采用50 cm×25 cm的倒角連接，連接板厚度由墩頂0.8 m變化至墩底1.0 m[5]。典型墩身橫斷面如圖3所示。

圖3 柱板式空心墩典型橫斷面(單位：cm)

本橋集“高墩、大跨、高烈度地震區(qū)、濕陷性黃土溝壑區(qū)、大體積混凝土、新型橋墩結(jié)構(gòu)”于一體。橋墩整體設(shè)計(jì)和細(xì)部計(jì)算分析均須滿足規(guī)范要求。

3 墩身混凝土收縮分析

與傳統(tǒng)鐵路圓端形、矩形空心墩不同，5號(hào)主墩構(gòu)造上由于薄壁板和墩柱連接處剛度變化大，倒角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在施工過程中，由于混凝土澆筑時(shí)間差，齡期不同引起的收縮應(yīng)力需引起重視，從構(gòu)造和施工工藝上防止混凝土開裂。

3.1 收縮理論概述

混凝土是一種多相體，在以受壓為主的橋墩結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，其優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯：抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、取材方便、施工便捷，同時(shí)具有抗拉強(qiáng)度低、施工運(yùn)營(yíng)中容易開裂的缺點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，混凝土工程結(jié)構(gòu)的裂縫80%以上是由于變形所產(chǎn)生(主要是收縮產(chǎn)生)[6]。因此本橋需詳細(xì)分析施工過程中混凝土收縮的影響，避免混凝土受拉破壞。

3.1.1 塑性收縮

混凝土拌和并澆筑后4～15 h，處于流態(tài)的混凝土由于膠凝材料與水不斷發(fā)生水化反應(yīng)，在混凝土終凝前，出現(xiàn)失水收縮，骨料及膠合料相互產(chǎn)生不均勻的沉縮變形[7]，一般在塑性階段發(fā)生在混凝土表面。

3.1.2 縮水收縮

塑性收縮完成后混凝土逐漸結(jié)硬，由于表層水分的蒸發(fā)較快，濕度降低明顯，收縮面積大。而內(nèi)部水分損失較慢，引起內(nèi)外部收縮不均勻，致使表面混凝土受拉?；炷劣不蟮氖湛s以縮水收縮為主，也是引起開裂的主要原因[8]。

3.1.3 自生收縮

混凝土在硬化過程中，化學(xué)結(jié)合水與水泥化合的作用而引起的混凝土收縮，與外界濕度無關(guān)[9]。

3.1.4 炭化收縮

大氣中的CO2與水泥的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出結(jié)晶水引起的收縮變形[10]。

3.1.5 約束條件引起的收縮

混凝土結(jié)構(gòu)物在變形過程中受到約束而阻礙其正常變形而引起的收縮[11]。就本橋而言，墩底實(shí)體段的外部約束主要是承臺(tái)、第1節(jié)4 m空心段的約束主要是墩底實(shí)體段。由于齡期的差別使前澆筑段約束后澆筑段的收縮變形，從而使混凝土受拉。

3.2 主墩混凝土收縮分析模型

采用Midas/Civil建立樁基、承臺(tái)、墩身實(shí)體單元模型，樁土之間的約束作用使用土彈簧來進(jìn)行模擬，具體剛度的數(shù)值按“m”法計(jì)算[12]。通過施工階段對(duì)實(shí)際施工過程進(jìn)行模擬，下橫梁以下實(shí)體分析模型如圖4所示。

圖4 主墩墩身混凝土收縮分析模型

根據(jù)TB 1002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》第4.4.5條對(duì)混凝土收縮的計(jì)算規(guī)定：對(duì)混凝土收縮的影響，可按降低溫度的方法來計(jì)算。對(duì)于分段澆筑的混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于降低溫度10 ℃。根據(jù)規(guī)范要求，本設(shè)計(jì)采用降溫10 ℃來模擬墩身混凝土的收縮[13]，施工階段各施工構(gòu)件、施工天數(shù)、荷載工況如表1所示。

表1 下橫梁以下各節(jié)段施工模擬工況

3.3 各施工節(jié)段具體計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前述施工階段和荷載工況，對(duì)收縮模型進(jìn)行施工階段分析，墩身順橋向各節(jié)段收縮計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 墩身順橋向混凝土收縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

墩身橫橋向各節(jié)段收縮計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 墩身橫橋向混凝土收縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

下橫梁以上橋墩收縮應(yīng)力不控制設(shè)計(jì)，不再贅述。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果看出，墩底5 m實(shí)體段施工完成后，澆筑墩底第1節(jié)4 m空心段，混凝土收縮引起的順橋向局部拉應(yīng)力最大可達(dá)7.3 MPa，如圖5所示。究其原因主要是空心段縮水收縮；同時(shí)由于墩底實(shí)體段與空心段截面剛度變化大，混凝土齡期不同，實(shí)體段約束空心段收縮變形引起拉應(yīng)力。

圖5 澆筑第1節(jié)4 m空心段應(yīng)力云圖(單位：MPa)

連接板收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力有2種解決方案。方案1：第1節(jié)4 m空心段配置預(yù)應(yīng)力鋼束。經(jīng)過實(shí)體建模分析后的結(jié)果來看，效果不明顯，主要原因是墩柱剛度太大，無法發(fā)揮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。方案2：配置普通鋼筋。通過計(jì)算，在第1節(jié)4 m空心段配置多層φ25 mm縱橫向鋼筋便能抵抗收縮拉應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 第1節(jié)4 m空心段普通鋼筋布置

4 主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)情況及主墩受力檢算結(jié)果，承臺(tái)以下主要為砂巖夾泥巖，基本承載力σ0=800 kPa，因此采用柱樁基礎(chǔ)。由于地形條件所限，主墩位于溝底，施工便道較窄且迂回，鉆孔樁機(jī)械等大型機(jī)械很難運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)，為方便施工，減小運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，主墩樁基采用人工挖孔樁。經(jīng)過計(jì)算，本橋樁基可采用38根φ2 m柱樁或者24根φ2.5 m柱樁，為增大施工空間，同時(shí)增大柱樁樁身面積，采用φ2.5 m樁徑柱樁。橋址地形平面如圖7所示。

圖7 主墩橋址平面(單位：cm)

從圖7可以看出，主墩承臺(tái)位于溝心陡坎上，最低點(diǎn)高程651.0 m，梁底高程為767.23 m，按照常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)，承臺(tái)頂一般不露出地面，由此計(jì)算主墩墩高應(yīng)該為116.5 m。由于本橋地震烈度高，墩身自重大，地震力和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均是難點(diǎn)，采用新型柱板式空心墩目的就是為了減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震力。若減小墩高，則效果最直接。因此本橋采用非常規(guī)設(shè)計(jì)，將承臺(tái)和部分樁基高于地面[14]，出露部分樁基采用土層夯實(shí)，并在陡坎一側(cè)設(shè)置擋墻進(jìn)行加固，將墩高設(shè)計(jì)為105 m，減小墩高11.5 m，減少墩身混凝土約1 300 m3，極大減小了墩身、基礎(chǔ)以及全橋的設(shè)計(jì)難度。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本橋小里程側(cè)樁基地勢(shì)較低計(jì)入10 m自由樁長(zhǎng)，須27 m方能滿足要求，見圖5中“1號(hào)樁”。其余樁基地勢(shì)較高，無需計(jì)入自由樁長(zhǎng)，計(jì)算只需要17 m即可滿足。根據(jù)地形條件，主墩樁基采用不等長(zhǎng)樁基設(shè)計(jì)[14]，真正做到“因地制宜”。

5 抗震試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)

柱板式空心墩在國(guó)內(nèi)首次采用，缺少相關(guān)抗震理論及試驗(yàn)研究可參考，因此擬采用局部模型的擬靜力試驗(yàn)對(duì)該類橋墩的破壞模式和滯回特性進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[15]。對(duì)模型試驗(yàn)而言，主要是原型選取、尺寸、材料、邊界條件等，關(guān)系到試驗(yàn)后期數(shù)據(jù)處理及結(jié)果的有效性[16]。

5.1 模型試驗(yàn)原型選取

5號(hào)主墩設(shè)置上、中、下3道橫梁將主墩分為“4節(jié)”，上橫梁以上為正方形等截面布置，縱橫向連接板寬度相同，下橫梁以下存在固端彎矩效應(yīng)，均不適合作為試驗(yàn)構(gòu)件原型[17]。上、中橫梁之間連接板寬度縱向變化3.0～3.6 m、橫向變化3.0～4.9 m，差距不明顯，且本段存在恒載彎矩變向點(diǎn)。中、下橫梁之間連接板寬度縱向變化3.7～5.0 m、橫向變化5.3～9.3 m，縱橫向板寬接差距接近1倍，可分別研究?jī)煞N板寬在地震力作用下受力狀態(tài)。

因此，試驗(yàn)構(gòu)件綜合考慮制作、運(yùn)輸、試驗(yàn)加載條件等，以中橫梁和下橫梁之間橋墩作為縮尺構(gòu)件原型，以1∶10比例進(jìn)行縮尺，縱橫向分別制作3個(gè)模型進(jìn)行試驗(yàn)?？v向連接板寬度42 cm，橫向連接板寬度72 cm，墩柱邊長(zhǎng)30 cm。墩柱與連接板之間同樣設(shè)置倒角連接，連接板厚度7 cm[18]。試驗(yàn)構(gòu)件橫截面如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)構(gòu)件布置(單位：cm)

縮尺模型材料采用與原型墩身一致的C50混凝土。鋼筋設(shè)計(jì)按照相似關(guān)系[19]或與原型橋墩配筋率相同設(shè)置[20]。因此，縮尺模型立柱縱筋采用φ20 mm的HRB400鋼筋，板上縱筋和箍筋采用φ6 mm的HPB300鋼筋[21]。

5.2 連接板梗脅鋼筋設(shè)計(jì)

一般梗脅鋼筋均設(shè)置為滿足保護(hù)層及錨固長(zhǎng)度要求的加強(qiáng)筋，如圖9(a)所示，實(shí)際橋墩尺寸較大，按此種布置方式不會(huì)造成鋼筋互相干擾。但本試驗(yàn)構(gòu)件由于連接板厚只有7 cm，上下兩層鋼筋在連接板交匯處彎鉤干擾極大，也影響到混凝土澆筑，因此將梗脅加強(qiáng)筋合二為一，采用9(b)的鋼筋布置方式，成功地解決了鋼筋互相干擾問題。

圖9 試驗(yàn)構(gòu)件梗脅鋼筋布置(單位：cm)

5.3 構(gòu)件與地墻連接設(shè)計(jì)

試驗(yàn)構(gòu)件與地錨鋼板固結(jié)，再通過6根￠60 mm地錨螺栓與實(shí)驗(yàn)室地墻錨固。由于本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)試構(gòu)件的水平位移，因此地錨螺栓桿與地墻的連接緊密程度關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為此，在試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)螺栓孔用2個(gè)半圓形楔形塊將地錨螺栓桿塞緊，同時(shí)地面上施工2 cm厚的干硬砂漿層，將試驗(yàn)構(gòu)件放上，確保試驗(yàn)構(gòu)件的水平，再擰緊地錨螺栓。楔形塊設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 楔形塊設(shè)計(jì)(單位：mm)

5.4 模型試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)模型試驗(yàn)原型合理選取、構(gòu)件鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)及連接加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)試件進(jìn)行反復(fù)荷載作用下的擬靜力試驗(yàn)研究，得到結(jié)構(gòu)的破壞形式、滯回曲線關(guān)系、剛度、延性等抗震方面的主要結(jié)論如下。

(1)隨著荷載增加，試件連接板受到剪切作用率先開裂，出現(xiàn)斜裂縫，逐漸相互交叉直至連通后，墩柱才開始出現(xiàn)水平裂縫。

(2)從循環(huán)加載過程形成的滯回曲線形狀以及等效黏滯系數(shù)和能量耗散系數(shù)指標(biāo)來看，試件具有良好的耗能能力。

(3)從試件開裂前和開裂后主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力變化趨勢(shì)看，當(dāng)遭遇強(qiáng)烈地震作用時(shí)，先通過薄壁板開裂來消散地震輸入的能量，從而保護(hù)墩柱結(jié)構(gòu)安全。

(4)從試件的連接板和柱內(nèi)的鋼筋應(yīng)變分析來看，連接板內(nèi)縱筋先陸續(xù)達(dá)到屈服應(yīng)變后，柱內(nèi)的鋼筋才逐步屈服，符合新型橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。

6 結(jié)語

以縱目溝特大橋新型柱板式空心墩為依托，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾處重要的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，綜合分析，可得出如下結(jié)論。

(1)工程設(shè)計(jì)中具體的新問題意味著新思路、新理念、新結(jié)構(gòu)的誕生。新型柱板式空心墩借鑒房建結(jié)構(gòu)理念，打破傳統(tǒng)高墩整體設(shè)計(jì)思路，采用可分離式橋墩構(gòu)造的嘗試，為橋梁特殊結(jié)構(gòu)跨專業(yè)高度融合的解決途徑起到示范作用。

(2)縱目溝特大橋柱板式空心墩在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)分析上，面向設(shè)計(jì)施工每一個(gè)環(huán)節(jié)。由收縮引起的拉應(yīng)力遠(yuǎn)超出混凝土極限抗拉能力，通過比較分析后采用設(shè)置多層普通鋼筋方式，既滿足結(jié)構(gòu)受力需要，又能防止混凝土開裂；對(duì)于高烈度地震區(qū)高墩大跨結(jié)構(gòu)，根據(jù)地形條件，適當(dāng)提高承臺(tái)以及采用不等樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)，方案更具合理性。

(3)新型高墩縮尺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)以相似理論為基礎(chǔ)，綜合試驗(yàn)?zāi)康?、加載條件及模型制作條件，選取最優(yōu)化縮尺構(gòu)件原型，確定模型最優(yōu)化尺寸和材料。注意模型制作與實(shí)際工程施工的區(qū)別，鋼筋設(shè)計(jì)也需靈活設(shè)計(jì)。同時(shí)必須考慮必要的連接構(gòu)造措施，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

黃韓侯鐵路縱目溝特大橋已投入運(yùn)營(yíng)4年且目前狀態(tài)良好，新型柱板式空心墩諸多細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)在施工和運(yùn)維中得到了驗(yàn)證。從勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維全過程的深入研究，是保證每一個(gè)環(huán)節(jié)成功實(shí)施的基礎(chǔ)。由于鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提升和修建水平的提高，越來越多的特殊結(jié)構(gòu)橋梁正在成為工程的紐帶，本文的研究成果可為類似工程建設(shè)提供重要參考。