大跨連續剛構橋墩結構形式方案研究

楊 斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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大跨連續剛構橋墩結構形式方案研究

楊 斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

大跨連續剛構橋墩除了需要滿足結構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，同時使其經濟性最優。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造特點及適用條件，對安家山河大橋剛壁墩不同墩形的設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，對于大跨高墩連續剛構橋，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。

連續剛構橋 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四線橋，為跨越安家山河而設。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。橋址區位于黃土峁梁區、地形起伏大，沖溝發育。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剛構連續梁，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。為保證結構整體受力合理，兩個剛壁墩的選型是該連續剛構橋設計的關鍵點，其立面布置如圖1所示。

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

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

1 高墩設計中的控制因素

1.1 墩身剛度

高墩的墩身縱、橫向剛度是設計中需要考慮的關鍵因素。對于連續剛構橋來說，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。墩身剛度越大，所分擔的內力就越大，剛壁墩墩頂負彎矩大，梁自身的抗彎能力不能有效發揮作用。在懸臂施工過程中，梁體會產生不平衡彎矩，設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，這對于全橋結構受力合理、最大限度發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，橋墩容易產生扭曲、變位。這時可以通過增加下部結構的橫向剛度來增大剛壁墩的橫向穩定。設計中通常以結構的自振頻率來控制其橫向剛度，參考南昆鐵路四橋設計的要求，以第一階橫向自振周期不大于1.7s[1]控制。

由此可以得出，應盡可能使橋梁結構具有較大的橫向剛度和一定的縱向柔度，這樣橋梁下部結構設計才是最合理的，對于連續剛構橋來說，此時上部梁體結構的受力狀態與連續梁很接近。

1.2 墩頂彈性水平位移

為了保證運營時線路穩定，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的彈性水平位移。因此，在連續剛構橋剛壁墩墩身截面設計中，必須檢算墩頂的水平位移是否滿足要求。

墩頂縱向水平位移與墩身縱向剛度密切相關。設計時，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構內力相應增加；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，墩頂的橫向水平位移與墩身橫向剛度也息息相關。

1.3 墩身的穩定性

高墩設計中另外一個控制因素是墩身的穩定性。與實體墩相比，薄壁空心墩圬工量節省的同時，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揮，通過對薄壁墩壁厚與邊長比值的限制來保證其局部穩定性。由實驗分析可知，當壁厚t≥(1/10～1/15)b時，一般空心墩可不設置隔板(b為薄壁矩形空心墩板寬)[1]。

2 橋墩結構選型

實際工程設計中，墩頂水平位移，墩身剛度、強度、穩定性等控制因素是重點關注對象，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，設計中應根據需要選擇合適的截面形式。

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

(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，整體穩定性安全系數也比雙薄壁墩大；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。此時，圬工量相應增加，較A形墩和矩形空心墩相比，經濟性較差。

3 安家山河大橋剛壁墩結構形式選擇

安家山河大橋主橋孔跨布置為(80+130+80)m連續剛構，可研設計階段，為保證85m高的剛壁墩滿足墩身橫向剛度要求，減小基礎規模，采用A形墩形式。但初步設計階段，根據線路總體設計方案的調整，本橋橋上線路由雙線調整為四線，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，故在保證結構安全、造價經濟的前提下，剛壁墩墩形方案存在優化的空間。

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劣，保持橋墩截面尺寸及其他參數不變，采用MidasCivil有限元程序建立不同墩型組合的3個模型，通過結構自振頻率、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，兩種橋墩結構形式設計指標如表1所示。

表1 不同墩身結構形式設計指標對比

計算結果表明：5號高墩分別采用A形墩和矩形空心墩，結構自振頻率均可滿足規范要求；墩頂縱向位移和縱向剛度值均滿足規范要求，二者差別不大。但矩形空心墩的墩身混凝土數量較A形墩節省較多。可見5號墩采用矩形空心截面不但節省了工程數量，同時還保證了橫向剛度，減輕了墩身自重，從而優化了基礎設計。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，兩種橋墩結構形式計算指標如表2所示。

表2 不同墩身結構形式設計指標對比表

計算結果表明：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，結構體系受力最合理，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構形式采用了矩形空心截面和雙薄壁實心截面。保證了全橋結構的合理性，減少了混凝土的工程量，同時墩形簡潔，施工方便。

4 結束語

大跨高墩連續剛構橋設計中，其橋墩結構的選型是此類橋梁結構設計的關鍵技術。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，不僅使全橋結構受力最優，還減少了混凝土的工程量，墩形簡潔，施工方便，尤其適用于山區大跨高墩橋梁。

[1] TB 10002. 1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

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

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

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

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

[6] 饒少臣.大跨高墩T構鐵路橋設計研究[J].鐵道標準設計，2005(11):52-56

[7] 蔡華炳.向莆鐵路莆田特大橋右線矮墩大跨連續剛構橋設計[J].橋梁建設，2012，42(5):51-56

[8] 彭元誠，方秦漢，李黎.超高墩連續剛構橋設計中的關鍵技術[J].橋梁建設，2006，35(4):30-33

[9] 寧曉駿，李睿，楊昌正，等.超高墩設計研究[J].公路交通技術，2008，23(1):87-90

[10]李衡山.大跨高墩連續剛構橋墩截面研究[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，畢業于蘭州交通大學橋梁工程專業，工學碩士，工程師。

1672-7479(2016)05-0088-03

U448.23； U443.2

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