山區橋梁高橋墩設計探討

張 剛 衛

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

山區橋梁高橋墩設計探討

張 剛 衛

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

以太行路朝陽片區高架橋跨越南沙河溝段設計為例，通過對該地段地形地貌、水文條件及地震效應的分析，確定了橋梁下部結構橋墩設計方案，并對空心高墩設計要點進行了系統研究，以期為類似工程提供參考借鑒。

橋梁，高橋墩，設計，山區，空心墩

1 工程概況

太行路(東中環)工程南起南中環街，北至北中環街，全長約11.4 km。朝陽片區高架橋工程為太行路工程的一個重要節點，主線上跨南沙河、朝陽街、郝家溝街、五龍口街，橋梁位于朝陽片區，橋梁全長為2 098.68 m，其中在跨越南沙河橋段高架橋兩側輔橋即為南沙河橋上跨南沙河，輔道與朝陽街、五龍口街平交，高架橋跨越南沙河段上部結構采用14孔30 m預制簡支T梁橋，橋梁寬度23.5 m，橋面距橋下河道搶險路路面高差近30 m，下部橋墩的設計成為該橋梁設計的一個技術難點。橫斷面示意圖見圖1。

1)地形地貌。跨越南沙河段橋址范圍內地形突起突落，溝谷與岸坡高差為23 m～27 m，是一座典型的U形深谷橋梁，現狀南沙河道寬度為7 m左右，平時少水。

2)地質條件。本區地處太原的地臺背斜中段及鄂爾多斯地塊動緣，受新華夏系構造及祁呂賀“山”字形構造地形的影響，便形成了有控制意義一系列的斷陷盆地，包括大同、忻定、太原、臨汾斷陷盆地，其總體延伸方向為NE-SW向。其中太原盆地基底由高低不平的塊狀陷落組成，自北而南有陽曲凹陷、棋子山隆起、泥屯隆起、新城凹陷、三給隆起、市區凹陷、親賢隆起、晉源凹陷、西溫莊隆起。巖性自上而下以人工填土、濕陷性黃土、粉土、粉質粘土、礫砂、圓礫為主。

3)氣象、水文。多年年平均氣溫為9.4 ℃，極端最高氣溫為39.4 ℃，極端最低氣溫為-25.5 ℃；多年(1951年—2011年)年平均降水量450 mm，最大降水量749 mm(1969年)，最小降水量216 mm(1972年)。

4)地震效應。太原市抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組。

5)總體方案。通過方案比選，高架橋跨越南沙河段選擇14孔30 m預制簡支T梁橋方案。合理的經濟跨徑減少了高橋墩的數量，降低了施工難度；橋梁上部結構采用裝配式預制拼裝結構，施工組織經濟、安全、難度低。

橋梁布置見圖2。

2 橋梁下部結構橋墩方案的確定

受兩側幅橋的影響，橋梁橋墩寬度僅有7 m，在下部結構計算中，需考慮縱向力的影響。而墩身的彎矩和剪力在地震力作用下將會很大，通過計算一般太原地區8度地震區墩身截面配筋由地震作用力控制。地震發生時，當矮墩與高墩分配在同一聯時，高墩受地震力影響相對較小，這樣會導致矮墩提前達到極限承受能力；而當同一聯均為高墩排列時，高墩在此條件下有可能產生較大的地震位移，從而使上部結構的支座脫落甚至落梁。故設計時盡可能最大限度的增大墩頂縱向水平的剛度。這樣便給設計人員出了設計難題，要滿足此要求必須增加墩身的外部構造尺寸，同時需配備很多的樁基，綜上而論墩身的選擇采用空心薄壁墩為宜。

3 空心高墩設計

設計空心薄壁墩時，除了考慮墩身本身的強度、局部部位的穩定、固端干擾、風振、日照溫差產生的墩頂位移、墩頂橫縱向的彈性水平位移、縱向產生的彎曲穩定等一般內容外，還需從以下幾個方面考慮空心高墩的設計：

1)空心橋墩墩身與其基礎剛度比值。

實驗表明設計合理的條件下墩身與基礎剛度之比值近似為40∶60，材料用量也最經濟；若二者剛度比值過小偏離實驗合理值時，則需要加大基礎剛度來彌補。基礎增大后單樁承載力也隨之增大，當增大到容許值要求時，樁數也相應增加，這就造成建設成本的浪費；若二者剛度比值過大偏離實驗合理值時，墩身外部構造尺寸大，墩身自重亦隨之增加，也同樣會增加樁數而造成成本的浪費。

2)溫度應力對空心薄壁墩身的影響。

當夏日正溫差時，薄壁墩溫度應力是內壁受拉和外壁受壓；當冬日寒潮負溫差時，空心薄壁墩溫度應力是內壁受壓和外壁受拉。相對而言日照產生的內壁拉應力較寒潮產生的外壁拉應力小得多，設計計算時結構配筋中需認真考慮寒潮對外壁拉應力產生的影響。

3)空心墩薄壁腋角設計。

增大空心墩薄壁腋角厚度和倒角尺寸，對改善空心墩的受力狀態有利。

4)引進減隔震技術。

減隔震技術近幾年在高烈度地區應用廣泛，抗震手段先進、效果明顯。其原理是通過采用合適的隔震支座來延長結構振型的周期。通過反復理論和試驗分析及現有工程實踐經驗均表明，橋梁在高烈度地區采用減隔震設計對結構在地震作用下有很顯著的效果。

綜上分析，該橋墩空心薄壁墩壁厚采用60 cm，外部構造尺寸為700 cm(長)×240 cm(寬)，實體段倒角為150 cm(高)×50 cm(寬)，每8 m設置一道橫隔板，隔板厚度50 cm。具體尺寸如圖3所示。

4 結語

對于高橋墩，設計研究過程與普通橋梁結構有所不同，高墩墩底在8度區地震作用下承受特別大的彎矩，設計時橋墩應有足夠的剛度，同時要把握好墩身與基礎合理的剛度比值，值得提倡的一點是減隔震技術在高烈度地區應用廣泛，應貫徹于設計之中。

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[2] 李正祥.山區鐵路橋梁設計的新突破[J].鐵道標準設計，2004(6)：115-116.

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[5] 尹晉相.蘆河大橋高墩施工技術[J].山西建筑，2014，40(6)：206-207.

Study of high pier bridge design in mountain area

Zhang Gangwei

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Taiyuan030002，China)

Taking the across south Shahe ditch section design in Chaoyang area Taihang road viaduct as an example, through the analysis on topography, hydrology condition and earthquake effect of this section, determined the pier design scheme of bridge substructure, and system researched the design key points of hollow high pier, in order to provide reference for similar engineering.

bridge, high pier, design, mountain area, hollow pier

2015-01-26

張剛衛(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)10-0161-03

U443.22

A