山區高速鐵路超高墩大跨橋梁的墩型設計研究

陳宇 李中輝

摘要 為研究山區高速鐵路超高墩大跨橋梁的墩型設計，文章以某山區主跨144 m高速鐵路連續剛構橋為依托工程，采用Midas/civil有限元軟件，建立三維數值模型，揭示不同墩型對結構的靜力特性、動力特性及工程經濟性的影響，為后續山區大跨高墩橋梁墩型的設計提供參考。

關鍵詞 山區;高速鐵路;高墩;墩型設計

中圖分類號 U442.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0141-03

0 引言

近年來高速鐵路迅速發展，由于山區地形、環境復雜，鐵路站站位選址困難以及線路線形要求高等因素，導致山區的高速鐵路橋梁多為高墩大跨橋梁。特別是隨著橋梁高度的增加，橋墩的工程造價占比迅速提高，在滿足結構靜力、動力要求下尋找合適的墩型變得日益迫切。

鐵路超高墩常用墩型有板式墩[1]、A形墩[2，3]及雙柱墩[4]（見圖1），該文針對上述三種墩型從靜力、動力及工程經濟性等方面進行綜合比選。

1 工程概況

以某山區高速鐵路主跨144 m連續剛構為分析對象，梁體采用單箱單室變高度截面，最大剛構墩高159 m，最小剛構墩高111.5 m，平均墩高141.25 m。

經車橋耦合檢算，橋墩橫向自振周期為2.0 s左右時橋梁各項車橋指標均滿足規范要求，故墩型比選時，選取該橫向自振周期為主要控制指標，調整不同墩型的設計參數使各個墩型對應的橫橋向剛度盡量接近，便于后續的墩型比較。

2 有限元模型

針對三種墩型，分別采用Midas/civil軟件進行空間有限元建模，如圖2所示。主梁及橋墩均采用空間梁單元模擬，通過剛臂模擬剛構墩與主梁之間的連接，通過彈性連接模擬邊支座，主墩底部樁基約束通過節點彈性支承模擬。主梁采用C55混凝土，橋墩采用C45混凝土。

分別調整三種墩型的主要設計參數，使結構橫向一階自振周期盡可能接近于2.0 s左右，得到結構主要設計參數如表1所示。

3 方案比選

針對上述三種墩型，擬從靜力計算情況、動力計算情況以及工程經濟性三個方面進行綜合比選。

3.1 靜力計算對比

由于高速鐵路設計時速為350 km/h，設計速度快，對結構剛度要求較高。該文結合《鐵路橋涵設計規范》選取自振周期、活載作用下的跨中豎向位移、梁體風荷載作用下的跨中橫向位移、墩頂殘余變形和梁端活載轉角等剛度指標作為靜力計算對比的主要依據，三種墩型主要計算結果如表2所示。

由計算結果可知，三種墩型的梁端轉角、跨中豎向位移均滿足現行規范要求，三種方案均具備可行性。其中，A型墩橫向周期最小，但由于壓縮墩底外側橫向距離以減小橫向自振周期至2.0 s，未能充分發揮下側三角形框架的結構剛度，導致本設計A型墩橫橋向位移最大;雙柱墩橫向自振周期最大，但為了使結構橫向周期貼近目標值，雙柱墩橫向尺寸從墩頂至墩底均較大，結構線剛度亦最大;板式墩橫向自振周期及線剛度介于A型墩與雙柱墩之間，同時由于順橋向墩壁整體性較好，板式墩縱向剛度亦最大。

從構件受力特性分析：板式墩在主要工況下受力均較為簡單，墩身整體受力接近于單向的壓彎受力構件，對基礎要求較低;A型墩不僅分岔區受力復雜，其分叉支腿始終存在較大的水平分力，并將此水平力傳遞至基礎，對基礎形式和地質條件要求較高[5];雙柱墩受力亦較為明確，墩柱傳遞豎向力為主，系梁穩定墩柱以減小其計算長度。

3.2 動力計算對比

為比選不同墩型對結構抗震性能的影響，選擇橋位處的同一地震反應譜對結構進行動力計算，考慮橋位處為六度區，選取設計反應譜檢算墩身受力。反應譜設計參數詳見表3。

由于不同墩型，橋墩尺寸差異較大導致承載力亦差異較大，若比較墩身內力并不合適，為綜合考慮地震作用效應與結構承載力，該文檢算主墩配筋方式相同時的墩身應力情況，計算結果見表4所示。

根據計算結果可知，順橋向地震作用下A型墩墩頂混凝土壓應力、墩頂鋼筋拉應力以及墩底鋼筋拉應力最大，板式墩墩頂混凝土壓應力、鋼筋拉應力及墩底鋼筋拉應力次之，雙柱墩墩底除混凝土壓應力偏大外其余部分受力均優于另外兩種墩型;在橫橋向地震作用下，A型墩與板式墩墩頂受力情況接近，板式墩墩底略優于A型墩，雙柱墩墩頂、墩底受力情況均比A型墩及板式墩差。

從橋墩地震作用下的整體受力來看，雙柱墩在順橋向及橫橋向地震作用下，墩頂、墩底等控制位置的應力情況均較為接近，另外兩種墩型均存在部分控制位置的應力遠大于另一位置，且雙柱墩墩柱系梁可做延性設計當作耗能構件，故雙柱墩在地震高烈度區優勢明顯;對于A型墩和板式墩，由于A型墩墩身重心遠高于板式墩墩身中心，故A型墩的抗震性能略差于板式墩。

3.3 工程經濟性比選

根據上述三個墩型的設計參數，統計出剛構主墩的主要構造參數及墩身數量如表5所示，據表可知A型墩混凝土方量最少、雙柱墩次之，板式墩最高。

但由于A型墩分叉區及雙柱墩柱身均橫向傾斜，混凝土澆筑時穩定性差，需要設置勁性骨架等輔助措施[6]，相關施工工藝也與斜拉橋橋塔施工工藝一致，故A型墩分叉區和雙柱墩柱身的混凝土指標均高于板式墩指標，由于雙柱墩混凝土方量與板式墩接近，故其工程經濟性在三個方案中最差。綜合考慮勁性骨架、橫向預應力及施工工藝的影響后，四個A型墩墩身造價合計約18 400萬元，四個板式墩墩身造價約12 900萬元。

由此可見，對于普通雙線梁，板式墩在三種墩型中墩身造價最低，且板式墩墩底最大橫向外距最小，更有利于控制基礎規模，在涉水區域更能進一步控制基礎造價。

對于寬幅的梁部，柱身間距可直接設計至合理值，無須通過設置橫坡加大墩底柱間距及墩柱尺寸，此時雙柱墩無須設置勁性骨架，施工措施較少，其經濟性與板式墩接近。

4 結論

設計合理的板式墩、A型墩和雙柱墩均可適用于高速鐵路高墩設計，經過上述對比分析可得如下幾個結論：

（1）板式墩墩身整體性好，構件受力狀態簡單，對基礎要求較低，結構剛度及地震反應介于A型墩與板式墩之間，雖然圬工量較大，但是施工方式較為簡單，施工措施費較低，工程經濟性好。（2）A型墩墩身受力較為復雜，對基礎及地質要求較高，抗震性能稍差，施工方式較為復雜，工程經濟性差，但是景觀效果好，若基礎橫向不受控，可通過拉大支腿間距迅速提高結構橫向剛度。（3）雙柱墩構件受力較為簡單，適用于高烈度地區，其經濟性受控于墩頂墩柱中心距，若墩柱中心距較小，墩柱兩側均需向外側放坡以拉大墩底橫向間距增大橫向剛度，施工措施費較高，若墩柱中心距較大，單個柱身可橫向對稱設計，自身穩定性好，可減去不必要的施工措施費。

參考文獻

[1]陳思孝，陳克堅，劉偉.襄渝增建二線鐵路牛角坪特大橋設計[J].高速鐵路技術，2011（6）：57-59+66.

[2]吳再新，陳思孝，張志勇，等.鐵路梁橋A形超高橋墩概念設計研究[J].橋梁建設，2015（5）：88-93.

[3]陳思孝，陳克堅，李銳.A形高墩大跨度混凝土連續剛構橋設計技術研究[J].橋梁建設，2014（1）：63-68.

[4]楊國靜，陳列，謝海清.適用于拱橋扣掛施工的T（剛）構高墩結構設計[J].橋梁建設，2018（2）：94-98.

[5]鐘亞偉，陳思孝，李銳.地基對鐵路A型超高墩剛構連續梁橋的受力影響研究[J].鐵道標準設計，2015（4）：53-57.

[6]周敏.渝利鐵路蔡家溝特大橋超高橋墩關鍵施工技術[J].山西建筑，2018（31）：166-167.