连续刚构桥高墩设计关键技术及选型研究

2014-09-26张扬

铁道标准设计 2014年9期

关键词：刚构墩顶刚构桥

张扬

(中铁第五勘察设计院集团有限公司桥梁院，北京 102600)

连续刚构桥高墩设计关键技术及选型研究

张扬

(中铁第五勘察设计院集团有限公司桥梁院，北京 102600)

随着我国山区铁路建设事业的发展，高墩大跨桥梁的应用更加广泛。为了研究高墩设计中的关键技术，以准朔铁路大沙沟桥刚构主墩为工程背景，对墩身纵、横向刚度，墩顶弹性水平位移以及高墩的稳定性进行详细论述，介绍不同墩身截面形式的构造特点和适用范围，对刚构墩不同的横向墩身结构类型进行对比分析，并对大沙沟桥横向墩型进行优化设计。总结了高墩设计中的一些关键技术，为类似高墩桥的设计及墩型选择提供参考。

铁路桥；连续刚构桥；高墩；刚度；稳定性

1 概述

近年来随着我国铁路建设事业的迅速发展，线路穿越的山区沟壑地带需要修建更多桥梁，使得高墩大跨度预应力混凝土连续刚构桥的应用更加广泛。这种桥梁结构具有跨越能力大，养护工作量小，悬臂灌注节约机具和临时辅助设施，减少体系转换等优点。准朔铁路大沙沟特大桥，地处低中山区黄土坡及沙沟谷地带，地质条件复杂且地面相对高差大。根据当地特殊的地形特点、施工难易程度、工程造价及施工周期等因素，该桥孔跨布置为：10-32 m简支T梁+2-(60+3×100+60) m预应力混凝土刚构连续梁+(8-64 m+1-48 m+1-64 m)节段拼装简支箱梁，大桥全长1834.080 m。大沙沟桥墩高差别较大，17号、18号刚构墩达到106 m，超高墩的选型是该连续刚构桥设计的关键技术之一，大桥立面布置见图1。

图1 大沙沟桥主桥2-(60+3×100+60) m刚构连续梁立面布置(单位：cm)

百米以上高墩连续刚构桥的设计，除了需要进行传统的应力及强度检算外，更关键的控制因素有墩身纵、横向刚度，墩顶弹性水平位移及高墩的稳定性等。以大沙沟桥主桥17号刚构墩为工程背景，在满足高墩设计关键技术条件下，对如何确定合理的墩身截面形式以及横向墩身类型进行了深入对比研究。

2 高墩设计关键技术

2.1 墩身纵、横向刚度

高墩设计中，墩身刚度往往是控制设计的一个重要因素。刚构墩柱与梁体的弯矩分配决定于两者的相对刚度，且梁体的收缩、徐变及温度应力与刚构墩柱的抗推刚度也直接相关。桥墩的刚度大则其分得的内力大，不能有效地发挥梁身的抗弯能力，而且使得梁在墩顶处的受力很大，达不到降低墩顶负弯矩的目的。此外，梁体悬臂施工过程中产生的不平衡弯矩，要求桥墩具备一定的抗弯、抗扭刚度。合适的墩梁刚度比既能满足全桥的纵向刚度，又能改善梁体的内力分布，充分发挥材料的受力性能。

在相同墩顶纵向刚度条件下，基础刚度大，墩身就可以设计的较柔些；基础刚度越小，墩身则必须设计刚劲些。当地质条件发生变化时，为满足墩顶纵向刚度要求，墩身刚度则需要进行相应的调整。因此，为减少下部结构对桥梁的纵向变形约束，桥梁墩身和基础的纵向抗推刚度应较小。

刚构桥墩的横桥向约束一般相对较弱，在横向不平衡荷载作用下，桥梁易产生扭曲、变位，为增大其横向稳定性，下部结构的横向刚度应满足一定要求。设计中横向刚度一般采用控制结构自振频率为主，参考南昆铁路四桥设计的要求，以其第一横向自振周期不大于T=1.7 s控制[1-3]。

可见，在能使桥梁结构有一定纵向柔度的同时，横向刚度较大并能满足相关要求是桥梁下部结构设计需要达到的目标，此时连续刚构桥上部结构的受力状态与连续梁很接近。

2.2 墩顶弹性水平位移

对墩顶弹性水平位移的限制，是要求桥墩具有足够的水平刚度，以保证运营时线路稳定，列车得以迅速安全通过。连续刚构桥墩顶位移量往往成为墩身截面设计的又一个控制条件。

墩顶纵向水平位移是与墩身纵向刚度密切相关的，如果纵向刚度过大，则会增加混凝土收缩、徐变、制动力、温度力、活载作用下的结构内力；纵向刚度如果过小，则会增加墩顶水平位移量。同样，墩顶的横向水平位移是控制桥梁横向刚度的要求之一。

2.3 墩身的稳定性

墩身稳定性是高墩设计中必须要满足的又一个关键条件。与实体墩相比，薄壁空心墩能用较少的材料数量获得较大的截面抵抗惯性矩，既能充分发挥材料的力学性能，又满足墩身刚度要求。薄壁墩的局部稳定，可以通过限制壁厚与边长的比值来得以保证，局部稳定从实验分析得出，当壁厚t≥(1/10～1/15)b时，一般空心墩可不设置隔板(b为薄壁矩形空心墩板宽)[7]。

此外，薄壁空心墩当墩身超过40 m时墩壁不宜太薄，厚壁墩与薄壁墩相比，薄壁空心墩混凝土数量较少，但钢筋用量较多，且增加施工难度，稳定性不易保证。

3 墩身横截面形式的选择

工程实践中，为了满足墩身强度、刚度、墩顶水平位移和墩身稳定性等要求，连续刚构主墩横截面形式多采用矩形空心墩和双薄壁墩。有些跨江河大桥，由于地质条件需要还可设计为矩形空心墩渐变至圆端形空心墩。矩形空心墩和双薄壁墩分别具有如下特点，设计中应根据需要选择合适的截面形式。

(1)矩形空心墩的抗扭能力好，抗推能力强，整体稳定性安全系数比较大，但其柔度不及双薄壁墩；双薄壁墩的抗弯能力较大，墩身允许的水平位移大，但随着墩身高度的增加，矩形空心墩的柔度逐渐增强，允许的纵向变位增大。

(2)当墩柱不是特别高时，双薄壁墩间保持一定的距离，构成较大的整体抗弯刚度，同时其纵桥向抗推刚度较小，可减少墩柱对桥跨梁体的约束，双薄壁墩提供的反力能削弱梁体力矩的峰值，具有较明显的“削峰”作用[8]。

(3)矩形空心墩施工阶段安全程度高于双薄壁墩，而主梁悬臂浇筑阶段，双薄壁墩的安全程度高于矩形空心墩。

(4)当刚构墩墩高不小于100 m时，矩形空心墩在较好满足纵向柔度的同时，并提供了相当大的横向刚度。双薄壁墩则需要设计为较大的横向截面形式，其经济指标不如矩形空心墩[9-11]。

经对比研究，大沙沟特大桥刚构主墩采用矩形空心墩。矩形空心墩较双薄壁墩对提高横向刚度更为有利，并且本桥刚构墩高达到百米以上，矩形空心墩能提供较好纵向柔度，使之更接近连续梁。为了保证桥墩有足够的横向刚度，并满足墩身强度和墩顶位移要求，墩顶处纵桥向和横桥向尺寸均设计为8 m，壁厚设计为1.5 m，截面设置圆弧倒角过渡，空心墩的局部稳定性得以保证，不需设置隔板。如图2所示。

图2 大沙沟桥刚构墩墩顶截面形式(单位：cm)

4 横向墩型的确定

4.1 A形墩和变宽板形墩对比研究

山区高墩连续刚构桥工程量巨大，景观效果突出，墩型选择应与环境相协调。连续刚构主墩横向墩型一般设计为A形和变宽板形两种形式。A形墩即采用一次放坡形式，这种墩型的优点是混凝土方量少，施工简捷，但如果要满足墩身横向刚度要求，则需要相当大的基础刚度。变宽板形墩即墩身横向采用两次放坡形式，即倒扫帚形，上部较陡，下部较缓，这种墩形所需要的混凝土方量较A形墩大，但对基础刚度的要求不高。如图3所示。

图3 大沙沟桥刚构主墩横向墩型对比(单位：cm)

大沙沟桥刚构墩设计中采用A形和变宽板形两种墩身横向结构形式进行了对比检算，计算结果见表1。

表1 不同墩身横向结构形式设计指标对比

显然对于大沙沟桥所处的地质条件，为满足全桥横向刚度和主桥上、下部结构的传力要求，刚构主墩横向采用变宽板形墩。

4.2 变宽点高度研究

变宽板形墩横向变宽点的高度，对墩身混凝土方量和横向刚度都有很大影响，本文对大沙沟桥刚构墩采用不同变宽点高度进行检算，将其各项设计指标进行了对比，见表2。

表2 不同变宽点墩身设计指标对比

由表2可见，当变宽点在1/2墩高处附近时，墩身圬工量偏大，自振频率偏小，各项指标较相关规范规程很富余，经济指标较差。变宽点高度设置在1/4墩高时，墩身圬工量少，但其自振频率比较接近规范规程要求，若基础刚度略有变动，则墩身尺寸需要重新设计。因此，变宽点高度设置在1/3墩高时，其自振频率、墩身混凝土方量和墩顶水平位移值均处在一个相对合理的位置，对基础刚度没有过高要求，因此大沙沟桥刚构主墩横向变宽点设置在1/3墩高位置。

4.3 变宽板形墩的优化设计

刚构墩横向变宽板形的结构形式，目前已建和在建桥梁有如下几种常见的设计方案(图4)。

方案一：外坡采用两次变坡形式，在墩顶以下70 m采用35∶1，70 m至承台顶采用5∶1，内坡采用70∶1的一次变坡形式，内昆铁路李子沟特大桥刚构主墩的横向构造采用这种设计方案。

方案二：内外坡均采用双变坡形式，墩顶以下70 m外坡采用35∶1、内坡采用70∶1；70 m至承台顶外坡采用5∶1，内坡采用8∶1。此种结构形式相对于方案一，在保证横向刚度的同时节省了混凝土圬工，减轻了墩身自重，优化了基础设计。

方案三：在方案二的基础上，墩身理论变坡点处外坡设计采用R=120 m的圆弧过渡，内坡设计了R=100 m的圆弧过渡，优化了墩身线形，增强了与山区环境的景观效果。

方案四：墩顶以下20 m采用1∶0直坡形式，20 m至承台顶外坡采用R=407.794 4 m的圆曲线直承台顶，内坡采用R=678.091 4 m的圆曲线至实体段上。兰渝线新井口嘉陵江四线特大桥(84+152+76) m连续刚构桥的刚构主墩横向采用这种设计方案。这种结构横向墩形变化没有突变，但山区高墩一般采用滑模或者翻模法施工，施工模板较为复杂。