渝利和兰渝铁路桥梁双线圆端形空心墩设计

肖奇宁

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

桥墩轻型化的一个途径，是将重力式桥墩改为空心桥墩，在相同结构稳定的条件下，以达到减轻重量、节省圬工的目的。若干年以来，随着铁路建设向山区发展，要求建造许多高墩，而空心墩又是高墩中的较好结构形式，结合滑动钢模版的使用和进展，使空心高墩得到迅速的发展。圆端形空心墩，较之圆形空心墩，具有更大的横向刚度，更合理的纵横向尺寸结构搭配；较之矩形空心墩，具有更好的水流顺畅性、更合理的水力特性、更方便的施工操作性；较之圆端形实体墩，虽施工难度加大、钢筋用量较多，但在高桥墩情况下，它所具有的较大墩身刚度、较少墩身圬工量、较经济的基础形式，是实体墩不可比拟的。因此，本文将对圆端形空心墩的设计特点进行论述。

1 双线圆端形空心墩与双线圆端形实体墩的比较

1.1 适用范围

对常用的24 m、32 m简支梁圆端形实体桥墩而言，当墩高大于30 m时，设计需要较大的实体截面，墩身混凝土体积数量很大(在双线时尤为突出)，墩身、基础设计均不经济。经验表明，采用空心截面能较好地解决这一难题。

目前，在一些在建客货共线及高速铁路线上，为使桥墩获得更大的刚度、节省墩身混凝土、尽量减少模板种类，对常用跨度简支梁圆端形桥墩，在墩高大于30 m时，就已采用了空心截面。表1为渝利线和兰渝线(时速200 km,Lp=32+32 m)双线圆端形实体墩与双线空心墩墩身工程数量与墩身纵向刚度对比表。

由表1可见，墩高越高，空心墩在增大墩身刚度、减少墩身混凝土上的优势就越明显，但钢筋用量较实体墩多。总体而言，每52.253 kg钢筋，换取节省1 m3混凝土，其性价比是值得的。且不说其可以减少材料运输、提升环保状态，其标准的钢筋混凝土结构，可以增加结构物的弹性韧性，增加抗裂能力，对空心墩而言是至关重要的。

表1 Lp=32+32直(曲)线双线圆端形实体墩与双线圆端形空心墩墩身工程数量与墩身纵向刚度对比

1.2 构造特点

圆端形实体墩由顶帽、托盘、墩身组成，构造简单；空心墩则包括上、下实体段，上、下倒角，空心墩身，墩内检查通道，墩壁通风孔等，构造相对复杂。渝利线(图1)和兰渝线(图2)时速200 km双线，Lp=32+32 m双线圆端形实体墩与双线圆端形空心墩的构造图。

按《铁路桥涵设计基本规范》第5．3．14条，目前空心墩多为厚壁结构，墩颈处最小壁厚当为混凝土时不小于0.5 m；按文献[6]介绍，在满足局部稳定的前提下，一般空心墩可不设横隔板。圆端形空心墩局部稳定性按t/R≥1/15控制原则设计。

图1 双线圆端形实体墩构造

图2 双线圆端形空心墩构造

1.3 计算内容

圆端形实体墩墩身设计主要包括：截面应力，偏心检算，整体纵向稳定性检算，墩身弹性变形产生的墩顶纵、横向位移计算，墩身纵向刚度计算。

圆端形空心墩为空间板壳结构，墩身设计有其独特之处：

截面应力检算除按常规方法计算外荷产生的拉压应力外，还应计入温度应力、固端干扰应力的作用，高墩的自振频率与风振也是截面应力的影响因素。

混凝土空心墩可不做截面偏心检算，但截面拉应力值不得大于混凝土的容许弯曲拉应力，这是与实体墩不同的。

在稳定性方面，空心墩应进行整体稳定、局部稳定的检算。

高墩的位移、刚度是墩身设计的控制条件。“日照温差产生的墩顶位移”这一分项的增加，是与实体墩墩顶位移计算不同的；在考虑温度应力、地震作用等因素而使空心墩墩身配筋较多，许多截面已超过了钢筋混凝土截面的最小配筋率时，笔者认为，截面的抗弯刚度应取为0.8EI，这与实体墩抗弯刚度取1.0EI也是不同的。

在对列车竖向动力系数的采用上，实体墩可不计列车竖向动力作用；空心墩上实体段计算、墩身截面应力及配筋计算，均需计入列车竖向动力作用。

上下实体段设计，是空心墩的又一不同之处。可利用ANSYS、MIDAS等空间计算程序进行应力分析，确定上下实体厚度、上下倒角大小等关键尺寸并指导配筋。

动力计算阶段桥上无车时，桥墩横向自振频率、自振周期控制标准：

(1)《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1-2005)第5.3.3条条文解释中高墩(15 m≤H≤70 m)梁墩体系的横向自振频率f≥0.45+90/H1.3。

(2)《铁路桥梁检定规范》2004版≥横向自振频率f≥α1×24×SQRT(B)/H′。H′为桥墩全高(自基底或承台底至墩顶)；α1=0.9；B为墩身横向平均宽度。

(3)《铁路工程设计技术手册·桥梁墩台》中，桥墩自振周期T≤0.25×SQRT(H)。H为墩底至墩顶的高度。

2 墩身尺寸设计的影响因素

(1)力学要求。圆端形空心墩必须满足各种荷载作用下的强度、稳定性要求。

(2)刚度要求。众所周知，当桥墩较高时，位移、刚度成了决定墩身尺寸的控制因素。通过调整墩身与基础之间合理的刚度比值，可使下部结构更加经济。

(3)跨度大小。跨度不同，桥墩承受的恒活载不同，列车竖向动力系数不同，墩顶纵、横向位移容许值不同，墩顶纵向刚度限值不同等都很大程度地影响着墩身尺寸，一般情况下，跨度越大，墩身尺寸越大。

(4)速度大小。设计速度对墩身尺寸的影响主要体现在上下部结构技术标准的采用上。具体说来，设计速度不同，所采用的梁部就会有所不同(对墩身尺寸的影响参见本节相关论点)；桥墩设计所采用的列车活载类型(中活载、ZK活载)、墩顶横向水平位移引起的桥面处梁端水平折角容许值1.0%、列车竖向动力系数计算方法、曲线离心力大小计算方法、作用位置等都会有所不同，直接影响着墩身设计。

(5)梁部类型。一般说来，双线简支T梁下的顶帽横向尺寸会大于同跨度双线整孔简支箱梁；连续梁(如3×32 m连续梁)中墩的墩身尺寸会大于简支梁(如32 m+32 m简支梁)等，这些都从不同方面反映了梁型对墩身尺寸的影响。

顶帽尺寸的拟定，与所采用的梁型有关。应考虑顶梁时千斤顶放置空间需要、维修养护需要及施工时分片架梁、移梁需要，支承垫石边缘距顶帽边缘的最小距离应满足相关规范的规定。此外，不同的梁部，桥墩检查设备等附属工程的设置也会有所不同。

(6)地质条件。地质条件对墩身尺寸的影响主要反映在对基础刚度的影响上。基础刚度发生变化时，为满足墩顶纵向刚度要求，墩身刚度需相应调整：在相同墩顶纵向刚度条件下，基础刚度越大，墩身就可设计得较柔些；基础刚度越小，墩身则必须刚劲些；其他条件均相同时，扩大基础的墩身尺寸可设计得较桩基础墩身尺寸的小。

合理选择墩身刚度与基础刚度的比例关系，是影响桥墩尺寸的重要因素。

在墩顶纵向刚度相近的条件下，墩身与基础的刚度比为40∶60时，下部结构圬工量最省。墩身刚度过小，必须加大桩间距以获取较大的基础刚度，造成承台自重、襟边土重的增加，单桩承载力的增大，从而影响到桩长或桩基根数；墩身刚度过大，较大的墩身尺寸、质量、相对较小的桩间距同样会引起单桩承载力的增大，增加桩基工程量，甚至造成墩身刚度的浪费。上述结论是在特定的地质条件下得出的。若地质条件变化，基础刚度相应变化，需调整墩身与基础的刚度比才能使下部结构最经济，墩身尺寸会因此变化。

(7)线路条件。桥墩所处的线路单双线、直曲线条件，也会影响墩身尺寸选择。一般说来，双线圆端形空心墩的纵横向尺寸均较单线大，局部稳定性差些，但截面拉应力、墩顶位移较单线墩小；双线桥的直曲线墩可采用相同的尺寸，单线桥曲线墩的尺寸会比直线墩大，并可视具体情况设置横向预偏心。

3 圆端形空心墩设计中的几个常见问题

3.1 墩身尺寸对纵向刚度的影响规律

桥墩越高，墩顶纵向刚度越难满足规范的要求，纵向刚度成为决定圆端形空心墩尺寸的重要因素。在选取了墩身与基础的合理刚度比，明确了墩本身需要达到的纵向刚度后，就可在墩颈直径D、墩颈壁厚t、墩身直段B、墩身外坡率next、墩身内坡nint这些主要尺寸上进行研究比较，以期用最小的圬工获取最大的刚度。

由表2可见，在墩身刚度>1 500 kN/cm双线范围内，当墩身圬工相同时，对墩身刚度的贡献由大到小排序为：墩颈直径D>墩身外坡next>墩身直段B>墩身内坡nint>墩颈壁厚t。据此，可有针对性地调整墩身尺寸，使墩身设计经济合理。

表2 Lp=32+32 m直(曲)线圆端形空心墩墩身尺寸表

3.2 单线曲线墩的横向预偏心问题

与单线直线墩相比，曲线墩需承受来自桥面活载的离心力，当墩身截面较小时，离心力将额外产生较大的拉应力。为改善这种不利的受力状态，受截面应力、偏心控制的圆端形实体墩大多设置了横向预偏心，利用恒载横向偏心力矩来抵消一部分曲线离心力矩，这已为许多工程实例所应用。

单线曲线圆端形空心墩则有所不同，在满足墩顶位移(尤其是横向位移)或纵向刚度的控制条件后，截面拉应力已大幅减小，多处于混凝土的容许弯曲拉应力范围之内或少许超限；另一方面，曲线横向位移计算不考虑恒载横向偏心力矩影响，活载横向偏心力矩产生的横向位移在总位移中所占份额又较小，使得横向预偏心的设置对减小墩顶横向位移贡献甚微。故单线曲线墩是否设置横向预偏心，设计时应具体情况具体对待。

3.3 线路条件对截面尺寸的影响

不同线路条件下，圆端形空心墩的截面尺寸选用一般遵循以下规律：双线空心墩及较大跨度(如64 m)的单线空心墩，墩身尺寸受墩身纵向刚度控制，直曲线墩可采用相同的空心圆端形截面尺寸；而常用跨度单线空心墩，除可能受墩身纵向刚度或纵向位移控制外，曲线墩还可能受墩身横向位移控制，故曲线上多采用空心圆端形截面，直线上多采用空心圆形截面。

4 结束语

综上所述，圆端形空心墩的设计，应根据桥梁孔跨、墩高、地质条件、墩身刚度的影响规律等因素，初步确定墩身与基础的合理刚度比及墩身尺寸；再结合线路条件、梁部类型、设计速度等情况，对所拟桥墩进行风振、频率、温度应力、位移、刚度、稳定性、强度等计算；各项指标满足要求后，综合考虑下部结构的技术经济性、附属工程的布置形式、维修养护等需要，对墩身尺寸局部修改，作为最终的桥墩尺寸。

[1] TB 10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S]

[2] TB 10002.4-2005铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范[S]

[3] TB 10002.5-2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[4] 铁运函[2004]120号 铁路桥梁检定规范[S]

[5] 铁道部第四勘测设计院.铁路工程设计技术手册：桥梁墩台[M].中国铁道出版社，1997

[6] 铁建设[2005]140号 新建时速200—250公里客运专线铁路设计暂行规定[S]

[7] 铁建设函[2005]285号 新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定[S]