地基对铁路A型超高墩刚构连续梁桥的受力影响研究

钟亚伟，陈思孝，李　锐

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都　610031)



地基对铁路A型超高墩刚构连续梁桥的受力影响研究

钟亚伟，陈思孝，李锐

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都610031)

摘要：为满足铁路桥梁的动力特性要求，同时节省桥墩圬工量，首次将A型桥墩应用于渝利线蔡家沟双线特大桥中。本桥为(80+3×144+80)m刚构-连续组合梁桥，刚构墩采用A型桥墩、三墩固结的结构形式，墩高最高达139 m。针对A型超高桥墩的结构受力特点，根据地质条件，计算分析采用合理的桥墩基础形式，并分析其对A型超高墩刚构-连续组合桥的刚度及静、动力特性的影响。结果表明，3种承台结构形式的桥梁结构动力特性均满足要求，但墩底内力差异较大，同时当岩石地基极限抗压强度R>4 MPa时，岩石竖向地基系数取值的变化对结构自振周期的影响较小。

关键词：铁路桥；A型墩；基础设计；刚度；动力特性

1概述

随着交通运输事业的飞速发展，高墩大跨混凝土连续结构桥不断涌现。由于铁路桥梁横向刚度限制，墩高大于100 m左右的铁路连续刚构桥墩一般采用扫帚形空心墩，横向放坡，纵向放坡或不放坡[1-4]。这种扫帚形空心墩，造型单调，形式简单，仅在桥墩承载安全性和使用性能加以考虑，混凝土用量大，墩身及基础横向尺寸大，对于艰险山区地形纵横向较陡处，开挖量大，对自然坡面破坏影响较大。随着速度及大跨超墩高的增加，采用传统设计的高墩结构形式，为满足高速行车时桥梁的动力性能，墩身混凝土用量成几何级数增大，工程造价很高。为满足桥梁结构的受力性能，同时节约桥墩圬工量，将A型超高墩应用于连续梁桥中。同时，刚构-连续梁桥兼顾了连续梁桥和连续刚构桥两者的优点而摒弃了两者的缺点，在结构受力、使用性能等方面具有一定的优越性[5]，在高墩大跨结构中得到越来越广泛的应用。墩身与基础的组合抗推刚度对刚构-连续梁桥的受力有一定的影响，因此为指导A型超高桥墩刚构-连续梁桥的设计，保证结构的安全，研究地基特性及根据地基特性选用不同的基础形式对其的受力影响尤为重要。

2工程概况

蔡家沟双线特大桥是渝利铁路的一座高墩大跨双线铁路桥梁。主桥跨越蔡家沟，蔡家沟沟谷深切，地形高差很大，沟谷呈U字形，孔跨布置受地形控制。由于线路高程与沟底高程相差大，且U形谷谷底较宽，因此主桥需采用高墩大跨方案，同时结合铁路桥梁的荷载特点及刚度要求，主桥孔跨布置为(80+3×144+80) m，采用三墩(22号～24号墩)固结的预应力混凝土刚构-连续组合梁，其主桥孔跨布置见图1。

图1　蔡家沟双线特大桥刚构连续梁总体布置(单位：cm)

图2　A型桥墩示意

本桥墩高最高达139.0 m，为满足结构受力要求，同时节约工程投资，本桥刚构墩22号、23号墩采用A型桥墩，24号墩采用人型(较A型墩少两支腿间的系梁)桥墩。A型桥墩构造见图2。

3桥址地质概况

桥址位于低山区，地面高程160～360 m，相对高差达150～200 m，桥址区多为水田、旱地和坡地，植被一般，桥下地势起伏较大，覆土较薄。上覆第四系人工填土层(Q4ml)、坡洪积层(Q4dl+pl)、坡残积层(Q4dl+el)、坡崩积层(Q4dl+col)；下伏侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)泥岩夹砂岩、砂岩，侏罗系中统下沙溪庙组(J2xs)泥岩夹砂岩、砂岩，侏罗系中统新田沟组(J2x)页岩、泥岩夹砂岩、砂岩，侏罗系中下统自流井组(J1-2z)页岩、泥岩夹砂岩及泥灰岩、侏罗系下统珍珠冲组(J1z)泥岩夹砂岩，基本承载力500 kPa。桥位处地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

4A型桥墩基础形式研究

A型桥墩与传统桥墩的区别在于A型桥墩的斜腿对承台有较大的水平分力作用，使得承台既承担桩基冲切作用，同时也是A型桥墩斜腿的系梁，其受力较一般空心墩承台受力更为复杂。针对具体的桥梁结构形式及桥址处的地质条件应做专项研究。一般A型桥墩基础有整体式承台、分离式承台及组合式承台3种形式，如图3所示。

图3　A型桥墩承台结构形式

组合式承台为在A型桥墩两支腿下分别设置承台，两承台间用混凝土系梁连接，为抵抗A型桥墩在墩底产生的水平分力，在系梁及承台内可设置预应力钢束。分离式及整体式承台均只改变系梁处设计，其他构造不变——分离式承台在组合式承台的基础上取消系梁及系梁预应力钢束；整体式承台在组合式承台的基础上取消系梁内钢绞线，同时将系梁尺寸加大至与承台尺寸一致。

5计算分析

5.1有限元模型

有限元模型的建立，是对大跨桥梁空间结构静力及动力特性分析的首要步骤，它的合理与否对分析的有效性和可靠性有全局性的影响。在动力学问题中，系统的运动方程为

(1)

(2)

求解该方程，可以解出系统的固有频率和固有振型，因此又称方程(2)为系统的动力特性方程。从该方程可以看出，结构的动力特性主要由结构的质量和刚度决定。同时，对于高墩结构，墩身除需满足强度、弯曲稳定等，还应考虑墩顶水平刚度的要求，墩身和基础必须有足够的刚度且墩身和基础的刚度比应合理，否则会造成圬工用量的增大。采用大型通用有限元软件MIDAS/Civil进行建模分析计算，在结构质量一定的情况下，研究不同的基础形式对结构刚度的影响。全桥有限元模型如图4所示。

图4　蔡家沟双线特大桥有限元模型

5.2承台形式对结构动力特性的影响

对于铁路桥梁而言，桥墩结构不仅直接承受从上部结构传递而来的竖向力，而且必须保证列车过桥时全桥结构的动力响应满足要求。本桥22号～24号刚构墩墩高分别为136.0、139.0 m和97.5 m，承台横向宽分别为59.4、61.11 m和35 m。将24号墩按整体承台考虑，22号、23号墩按组合式、分离式及整体式承台考虑，研究其承台形式对结构动力特性的影响。其计算结果见表1。

表1　自振周期计算结果

从本桥前5阶自振周期及振型可以看出，3种承台结构形式的振型一致，周期略有差异。如前承台结构形式所示，承台刚度分别为整体式>组合式>分离式，因此结构的频率变化为分离式<组合式<整体式，由于以上3种承台形式的刚度差异较小，因此结构的自振周期差异也较小。3种承台形式的结构自振周期均满足南昆铁路四桥设计的要求(铁道部建鉴[1992]93号文“关于南昆线四座大桥横向刚度的补充技术要求”)，即横桥向第1阶振型的自振周期T≤1.7 s。

5.3承台形式对墩底内力及基础的影响

与一般空心墩基础工程相比，A型墩基础受力特点除包含一般空心墩基础工程的所有特性外，由于支腿的存在，又有其独特的力学特点，主要表现如下。

(1)A型墩倾斜的支腿对承台顶面产生较大的水平推力。该水平力使得承台承受较大的横向水平拉力，由于承台同时承受上部结构传递的竖向压力，对于大跨高墩梁桥，还需承受纵向水平力和纵向弯矩，使得承台呈现复杂应力状态。

(2)A型墩基础工程桩基布置需综合考虑支腿截面尺寸及承台受力特点(支腿倾斜角度)等因素。由于承台三维受力特点，不适宜再将承台视为完全刚性，导致各桩基础顶面(承台底面)受力不均。

(3)根据承台设计的不同，A型墩桩基础可能承受较大的水平推力，对基础承载力有较高要求，必须根据不同的地质条件选用适宜的承台结构形式并研究其对A型墩受力的影响。

如前，将22号、23号墩按组合式、分离式及整体式承台考虑，研究其承台形式对墩底内力及基础的影响。以23号墩为例，其内力见表2。以此内力进行桩基础计算，其计算结果如表3所示。

桩基计算时，3种承台基础均采用32根φ2.5 m的钻孔桩。从表2和表3可看出，组合式承台基础相比分离式基础，其横向水平力最大可减少约60%，基底横向弯矩也能显著降低，从而降低了组合式承台基础的桩基工程圬工量及减小了桩基的受力，同时也反映出组合式承台对基础地质条件的要求较分离式承台低，在地质条件一般或较差时有较好的经济性优势；分离式基础因A型桥墩支腿的横向水平力较大，桩基需承受较大的水平推力，因此桩侧土压力较大，在地质条件较差处采用时基础设计很困难，只有在地质条件较好的情况下才有优势，尤其在横坡较陡，需设置不等高基础时优势更明显；整体式基础将两支腿连成一个整体，平衡两支腿底部较大的横向弯矩和横向水平力，简化了基础设计，加强了基础的整体性，桩基受力较好，降低了基础对地质条件的要求，在较差的地质条件下有很突出的优势，缺点在于基础体量过大，施工中的混凝土灌筑、施工质量控制及设备投入量方面存在一定困难，因此整体式基础比较适合体量不大、地质条件很差且地形变化平缓的地方。

表2　3种承台基础的基底内力

表3　3种承台基础桩基计算结果

5.4岩石地基对结构自振特性的影响

岩石地基对基础的作用考虑与否及其弹性抗力系数取值大小，对刚构-连续桥梁结构的动力特性计算结果有一定影响。目前铁路桥涵设计规范中，根据岩石单轴抗压强度，给出了相应岩石地基弹性抗力系数的取值范围，但没有给出对应的、确定的数值。在规范规定取值范围内，弹性抗力系数对结构自振特性的影响以及影响程度，规范未作具体说明，相关资料又很少，同时也缺乏有关的试验数据。为充分了解岩石地基对A型桥墩刚构-连续桥梁结构动力特性影响，准确掌握结构自振特性对岩石地基弹性抗力系数取值的敏感程度，本桥设计工作中，就此进行了一些探讨。

如前所述，整体式、分离式及组合式承台型式对本桥的自振影响区别较小，同时对此3种承台结构形式的墩底内力及桩基础计算分析，组合式承台结构形式用于此桥较合适，因此采用组合式承台结构形式对本桥岩石地基弹性抗力系数进行结构自振特性影响分析。

根据基岩不同极限抗压强度(1～25 MPa)，选取相应岩石竖向地基系数(300～15 000 MPa/m)，分别计算桥梁结构的自振周期，结果见图5。

计算结果表明：当岩石地基极限抗压强度R≤4 MPa时，A型桥墩刚构-连续桥梁结构自振周期对岩石竖向地基系数取值的敏感性较强，当岩石地基极限抗压强度R>4 MPa时，其敏感性逐渐降低。根据本桥地质情况，岩石地基极限抗压强度为5 MPa，因此，本桥岩石竖向地基系数取值的变化，对桥梁结构自振周期计算结果影响很小。

图5　基岩不同极限抗压强度对结构自振周期的影响曲线

6结论

蔡家沟双线特大桥是渝利铁路上关键工程之一，最高墩墩高达139.0 m。本桥首次将A型超高墩应用于刚构连续梁中。根据该桥的结构特征及地基条件，研究分析整体式、分离式及组合式承台结构形式对本桥静、动力受力特性的影响，得到以下结论。

(1)本桥采用以上3种承台结构形式，其自振周期的差异较小，说明承台结构形式对本桥的自振特性敏感性较小，结构自振特性计算结果均能满足结构受力要求。

(2)不同的承台结构形式对墩底内力影响较大。需根据桥址处的地质条件选用合适的承台结构形式。

(3)在铁路桥涵地基和基础设计规范规定的岩石竖向地基系数取值范围内，当岩石地基极限抗压强度R>4 MPa时，岩石竖向地基系数取值的变化对结构自振周期的影响较小。

参考文献：

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Study on Influences of Foundation on Rigid Frame Continuous Girders with A-type Super High Pier

ZHONG Ya-wei， CHEN Si-xiao， LI Rui

(China Railway Eryuan Engineering Group Co，. Ltd.， Chengdu 610031， China)

Abstract：To meet the requirements for the dynamic performance of railway bridge and save the mason work of concrete pier， A-type super high pier was used the first time in Caijiagou double-line extra-long bridge of Chongqing-Lichuan railway. This bridge is constructed with three A-type fixed-pier and rigid frame continuous girders (80+3×144+80)m. The highest pier is 139m. In view of the bearing characteristics of A-type super high pier and geological conditions of the bridge site， the proper type of pier foundation is calculated and selected. In addition， the influence of pier foundation on rigidity， static and dynamic characteristics of the bridge is analyzed. The results show that the dynamic characteristics of the meets the requirements， but the effects of pier bottom’s internal force differ greatly. The impact of the vertical foundation coefficient on the structural self-vibration cycle is smaller where the limit of rock foundation compression stress R is over 4MPa.

Key words：Railway bridge; A-type pier; Foundation design; Rigidity; Dynamic characteristics

中图分类号：U448.21+5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.015

文章编号：1004-2954(2015)04-0053-05

作者简介：钟亚伟(1981—)，男，高级工程师，2006年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：zyw_tey@163.com。

基金项目：铁道部科技研发重点项目(2010G016-D)

收稿日期：2014-06-11； 修回日期：2014-07-16