渝利和蘭渝鐵路橋梁雙線圓端形空心墩設(shè)計(jì)

肖奇寧

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

橋墩輕型化的一個(gè)途徑，是將重力式橋墩改為空心橋墩，在相同結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的條件下，以達(dá)到減輕重量、節(jié)省圬工的目的。若干年以來，隨著鐵路建設(shè)向山區(qū)發(fā)展，要求建造許多高墩，而空心墩又是高墩中的較好結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合滑動(dòng)鋼模版的使用和進(jìn)展，使空心高墩得到迅速的發(fā)展。圓端形空心墩，較之圓形空心墩，具有更大的橫向剛度，更合理的縱橫向尺寸結(jié)構(gòu)搭配；較之矩形空心墩，具有更好的水流順暢性、更合理的水力特性、更方便的施工操作性；較之圓端形實(shí)體墩，雖施工難度加大、鋼筋用量較多，但在高橋墩情況下，它所具有的較大墩身剛度、較少墩身圬工量、較經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式，是實(shí)體墩不可比擬的。因此，本文將對(duì)圓端形空心墩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 雙線圓端形空心墩與雙線圓端形實(shí)體墩的比較

1.1 適用范圍

對(duì)常用的24 m、32 m簡(jiǎn)支梁圓端形實(shí)體橋墩而言，當(dāng)墩高大于30 m時(shí)，設(shè)計(jì)需要較大的實(shí)體截面，墩身混凝土體積數(shù)量很大(在雙線時(shí)尤為突出)，墩身、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)驗(yàn)表明，采用空心截面能較好地解決這一難題。

目前，在一些在建客貨共線及高速鐵路線上，為使橋墩獲得更大的剛度、節(jié)省墩身混凝土、盡量減少模板種類，對(duì)常用跨度簡(jiǎn)支梁圓端形橋墩，在墩高大于30 m時(shí)，就已采用了空心截面。表1為渝利線和蘭渝線(時(shí)速200 km,Lp=32+32 m)雙線圓端形實(shí)體墩與雙線空心墩墩身工程數(shù)量與墩身縱向剛度對(duì)比表。

由表1可見，墩高越高，空心墩在增大墩身剛度、減少墩身混凝土上的優(yōu)勢(shì)就越明顯，但鋼筋用量較實(shí)體墩多。總體而言，每52.253 kg鋼筋，換取節(jié)省1 m3混凝土，其性價(jià)比是值得的。且不說其可以減少材料運(yùn)輸、提升環(huán)保狀態(tài)，其標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以增加結(jié)構(gòu)物的彈性韌性，增加抗裂能力，對(duì)空心墩而言是至關(guān)重要的。

表1 Lp=32+32直(曲)線雙線圓端形實(shí)體墩與雙線圓端形空心墩墩身工程數(shù)量與墩身縱向剛度對(duì)比

1.2 構(gòu)造特點(diǎn)

圓端形實(shí)體墩由頂帽、托盤、墩身組成，構(gòu)造簡(jiǎn)單；空心墩則包括上、下實(shí)體段，上、下倒角，空心墩身，墩內(nèi)檢查通道，墩壁通風(fēng)孔等，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。渝利線(圖1)和蘭渝線(圖2)時(shí)速200 km雙線，Lp=32+32 m雙線圓端形實(shí)體墩與雙線圓端形空心墩的構(gòu)造圖。

按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》第5．3．14條，目前空心墩多為厚壁結(jié)構(gòu)，墩頸處最小壁厚當(dāng)為混凝土?xí)r不小于0.5 m；按文獻(xiàn)[6]介紹，在滿足局部穩(wěn)定的前提下，一般空心墩可不設(shè)橫隔板。圓端形空心墩局部穩(wěn)定性按t/R≥1/15控制原則設(shè)計(jì)。

圖1 雙線圓端形實(shí)體墩構(gòu)造

圖2 雙線圓端形空心墩構(gòu)造

1.3 計(jì)算內(nèi)容

圓端形實(shí)體墩墩身設(shè)計(jì)主要包括：截面應(yīng)力，偏心檢算，整體縱向穩(wěn)定性檢算，墩身彈性變形產(chǎn)生的墩頂縱、橫向位移計(jì)算，墩身縱向剛度計(jì)算。

圓端形空心墩為空間板殼結(jié)構(gòu)，墩身設(shè)計(jì)有其獨(dú)特之處：

截面應(yīng)力檢算除按常規(guī)方法計(jì)算外荷產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力外，還應(yīng)計(jì)入溫度應(yīng)力、固端干擾應(yīng)力的作用，高墩的自振頻率與風(fēng)振也是截面應(yīng)力的影響因素。

混凝土空心墩可不做截面偏心檢算，但截面拉應(yīng)力值不得大于混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力，這是與實(shí)體墩不同的。

在穩(wěn)定性方面，空心墩應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定的檢算。

高墩的位移、剛度是墩身設(shè)計(jì)的控制條件。“日照溫差產(chǎn)生的墩頂位移”這一分項(xiàng)的增加，是與實(shí)體墩墩頂位移計(jì)算不同的；在考慮溫度應(yīng)力、地震作用等因素而使空心墩墩身配筋較多，許多截面已超過了鋼筋混凝土截面的最小配筋率時(shí)，筆者認(rèn)為，截面的抗彎剛度應(yīng)取為0.8EI，這與實(shí)體墩抗彎剛度取1.0EI也是不同的。

在對(duì)列車豎向動(dòng)力系數(shù)的采用上，實(shí)體墩可不計(jì)列車豎向動(dòng)力作用；空心墩上實(shí)體段計(jì)算、墩身截面應(yīng)力及配筋計(jì)算，均需計(jì)入列車豎向動(dòng)力作用。

上下實(shí)體段設(shè)計(jì)，是空心墩的又一不同之處。可利用ANSYS、MIDAS等空間計(jì)算程序進(jìn)行應(yīng)力分析，確定上下實(shí)體厚度、上下倒角大小等關(guān)鍵尺寸并指導(dǎo)配筋。

動(dòng)力計(jì)算階段橋上無車時(shí)，橋墩橫向自振頻率、自振周期控制標(biāo)準(zhǔn)：

(1)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1-2005)第5.3.3條條文解釋中高墩(15 m≤H≤70 m)梁墩體系的橫向自振頻率f≥0.45+90/H1.3。

(2)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》2004版≥橫向自振頻率f≥α1×24×SQRT(B)/H′。H′為橋墩全高(自基底或承臺(tái)底至墩頂)；α1=0.9；B為墩身橫向平均寬度。

(3)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·橋梁墩臺(tái)》中，橋墩自振周期T≤0.25×SQRT(H)。H為墩底至墩頂?shù)母叨取?/p>

2 墩身尺寸設(shè)計(jì)的影響因素

(1)力學(xué)要求。圓端形空心墩必須滿足各種荷載作用下的強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求。

(2)剛度要求。眾所周知，當(dāng)橋墩較高時(shí)，位移、剛度成了決定墩身尺寸的控制因素。通過調(diào)整墩身與基礎(chǔ)之間合理的剛度比值，可使下部結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)。

(3)跨度大小。跨度不同，橋墩承受的恒活載不同，列車豎向動(dòng)力系數(shù)不同，墩頂縱、橫向位移容許值不同，墩頂縱向剛度限值不同等都很大程度地影響著墩身尺寸，一般情況下，跨度越大，墩身尺寸越大。

(4)速度大小。設(shè)計(jì)速度對(duì)墩身尺寸的影響主要體現(xiàn)在上下部結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的采用上。具體說來，設(shè)計(jì)速度不同，所采用的梁部就會(huì)有所不同(對(duì)墩身尺寸的影響參見本節(jié)相關(guān)論點(diǎn))；橋墩設(shè)計(jì)所采用的列車活載類型(中活載、ZK活載)、墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角容許值1.0%、列車豎向動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法、曲線離心力大小計(jì)算方法、作用位置等都會(huì)有所不同，直接影響著墩身設(shè)計(jì)。

(5)梁部類型。一般說來，雙線簡(jiǎn)支T梁下的頂帽橫向尺寸會(huì)大于同跨度雙線整孔簡(jiǎn)支箱梁；連續(xù)梁(如3×32 m連續(xù)梁)中墩的墩身尺寸會(huì)大于簡(jiǎn)支梁(如32 m+32 m簡(jiǎn)支梁)等，這些都從不同方面反映了梁型對(duì)墩身尺寸的影響。

頂帽尺寸的擬定，與所采用的梁型有關(guān)。應(yīng)考慮頂梁時(shí)千斤頂放置空間需要、維修養(yǎng)護(hù)需要及施工時(shí)分片架梁、移梁需要，支承墊石邊緣距頂帽邊緣的最小距離應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。此外，不同的梁部，橋墩檢查設(shè)備等附屬工程的設(shè)置也會(huì)有所不同。

(6)地質(zhì)條件。地質(zhì)條件對(duì)墩身尺寸的影響主要反映在對(duì)基礎(chǔ)剛度的影響上。基礎(chǔ)剛度發(fā)生變化時(shí)，為滿足墩頂縱向剛度要求，墩身剛度需相應(yīng)調(diào)整：在相同墩頂縱向剛度條件下，基礎(chǔ)剛度越大，墩身就可設(shè)計(jì)得較柔些；基礎(chǔ)剛度越小，墩身則必須剛勁些；其他條件均相同時(shí)，擴(kuò)大基礎(chǔ)的墩身尺寸可設(shè)計(jì)得較樁基礎(chǔ)墩身尺寸的小。

合理選擇墩身剛度與基礎(chǔ)剛度的比例關(guān)系，是影響橋墩尺寸的重要因素。

在墩頂縱向剛度相近的條件下，墩身與基礎(chǔ)的剛度比為40∶60時(shí)，下部結(jié)構(gòu)圬工量最省。墩身剛度過小，必須加大樁間距以獲取較大的基礎(chǔ)剛度，造成承臺(tái)自重、襟邊土重的增加，單樁承載力的增大，從而影響到樁長(zhǎng)或樁基根數(shù)；墩身剛度過大，較大的墩身尺寸、質(zhì)量、相對(duì)較小的樁間距同樣會(huì)引起單樁承載力的增大，增加樁基工程量，甚至造成墩身剛度的浪費(fèi)。上述結(jié)論是在特定的地質(zhì)條件下得出的。若地質(zhì)條件變化，基礎(chǔ)剛度相應(yīng)變化，需調(diào)整墩身與基礎(chǔ)的剛度比才能使下部結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)，墩身尺寸會(huì)因此變化。

(7)線路條件。橋墩所處的線路單雙線、直曲線條件，也會(huì)影響墩身尺寸選擇。一般說來，雙線圓端形空心墩的縱橫向尺寸均較單線大，局部穩(wěn)定性差些，但截面拉應(yīng)力、墩頂位移較單線墩小；雙線橋的直曲線墩可采用相同的尺寸，單線橋曲線墩的尺寸會(huì)比直線墩大，并可視具體情況設(shè)置橫向預(yù)偏心。

3 圓端形空心墩設(shè)計(jì)中的幾個(gè)常見問題

3.1 墩身尺寸對(duì)縱向剛度的影響規(guī)律

橋墩越高，墩頂縱向剛度越難滿足規(guī)范的要求，縱向剛度成為決定圓端形空心墩尺寸的重要因素。在選取了墩身與基礎(chǔ)的合理剛度比，明確了墩本身需要達(dá)到的縱向剛度后，就可在墩頸直徑D、墩頸壁厚t、墩身直段B、墩身外坡率next、墩身內(nèi)坡nint這些主要尺寸上進(jìn)行研究比較，以期用最小的圬工獲取最大的剛度。

由表2可見，在墩身剛度>1 500 kN/cm雙線范圍內(nèi)，當(dāng)墩身圬工相同時(shí)，對(duì)墩身剛度的貢獻(xiàn)由大到小排序?yàn)椋憾疹i直徑D>墩身外坡next>墩身直段B>墩身內(nèi)坡nint>墩頸壁厚t。據(jù)此，可有針對(duì)性地調(diào)整墩身尺寸，使墩身設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。

表2 Lp=32+32 m直(曲)線圓端形空心墩墩身尺寸表

3.2 單線曲線墩的橫向預(yù)偏心問題

與單線直線墩相比，曲線墩需承受來自橋面活載的離心力，當(dāng)墩身截面較小時(shí)，離心力將額外產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。為改善這種不利的受力狀態(tài)，受截面應(yīng)力、偏心控制的圓端形實(shí)體墩大多設(shè)置了橫向預(yù)偏心，利用恒載橫向偏心力矩來抵消一部分曲線離心力矩，這已為許多工程實(shí)例所應(yīng)用。

單線曲線圓端形空心墩則有所不同，在滿足墩頂位移(尤其是橫向位移)或縱向剛度的控制條件后，截面拉應(yīng)力已大幅減小，多處于混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力范圍之內(nèi)或少許超限；另一方面，曲線橫向位移計(jì)算不考慮恒載橫向偏心力矩影響，活載橫向偏心力矩產(chǎn)生的橫向位移在總位移中所占份額又較小，使得橫向預(yù)偏心的設(shè)置對(duì)減小墩頂橫向位移貢獻(xiàn)甚微。故單線曲線墩是否設(shè)置橫向預(yù)偏心，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具體情況具體對(duì)待。

3.3 線路條件對(duì)截面尺寸的影響

不同線路條件下，圓端形空心墩的截面尺寸選用一般遵循以下規(guī)律：雙線空心墩及較大跨度(如64 m)的單線空心墩，墩身尺寸受墩身縱向剛度控制，直曲線墩可采用相同的空心圓端形截面尺寸；而常用跨度單線空心墩，除可能受墩身縱向剛度或縱向位移控制外，曲線墩還可能受墩身橫向位移控制，故曲線上多采用空心圓端形截面，直線上多采用空心圓形截面。

4 結(jié)束語

綜上所述，圓端形空心墩的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)橋梁孔跨、墩高、地質(zhì)條件、墩身剛度的影響規(guī)律等因素，初步確定墩身與基礎(chǔ)的合理剛度比及墩身尺寸；再結(jié)合線路條件、梁部類型、設(shè)計(jì)速度等情況，對(duì)所擬橋墩進(jìn)行風(fēng)振、頻率、溫度應(yīng)力、位移、剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等計(jì)算；各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求后，綜合考慮下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、附屬工程的布置形式、維修養(yǎng)護(hù)等需要，對(duì)墩身尺寸局部修改，作為最終的橋墩尺寸。

[1] TB 10002.1-2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]

[2] TB 10002.4-2005鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] TB 10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4] 鐵運(yùn)函[2004]120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范[S]

[5] 鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)：橋梁墩臺(tái)[M].中國(guó)鐵道出版社，1997

[6] 鐵建設(shè)[2005]140號(hào) 新建時(shí)速200—250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]

[7] 鐵建設(shè)函[2005]285號(hào) 新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S]