山区桥梁高墩设计研究

索慧敏,郭红雨

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

山区桥梁高墩设计研究

索慧敏,郭红雨

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

高墩在山区桥梁建设中的应用越来越广泛，文章结合贵州省盘县至兴义高速公路项目，对典型山区桥梁的高墩从高墩类型选择、高墩受力及高墩稳定性几方面进行了研究分析，可供今后同类桥梁的高墩设计参考。

山区桥梁；高墩；桥墩计算长度；稳定分析

1　工程概况

贵州地处云贵高原东侧，境内山多地少，地形起伏较大，沟深坡陡，素有“地无三尺平”之称。在建的贵州省盘县至兴义高速公路采用双向4车道高速公路标准建设，路线全长61.374 km，路基宽度为24.5 m，汽车荷载等级采用公路-Ⅰ级，桥梁比例高达30%，高墩桥梁众多，百米以上高墩大跨连续刚构桥梁2座，其中下平川特大桥主跨采用160 m变截面连续刚构，最大墩高142 m，工程规模巨大。

2　高墩类型的选择

2.1装配式梁桥

山区桥梁根据工程造价及施工难度、施工标准化的需求，上部结构多采用30~50 m跨径的装配式T梁及箱梁桥，此类桥型下部桥墩形式主要有柱式墩、薄壁墩、双肢薄壁墩、空心墩和Y型墩等。一般墩高40 m以下时，可采用柱式墩，当墩高在40~50 m时，可采用具有较大刚度的实心薄壁墩，当墩高大于50 m时，一般采用空心薄壁墩、双肢薄壁墩。在实际工程中，具体到每座桥，应综合考虑，当桥墩形式和尺寸种类较多时，应注意适当归并，以提高模板利用率，方便施工，同时也应考虑景观效果。

由于山区桥梁的特殊性，往往同一座桥梁中，墩高也会差异甚大，桥墩结构形式和尺寸应根据桥墩高度结合施工和运营阶段受力情况综合确定。从施工角度出发，双圆柱墩使用频率最高，其适用墩高范围可从几米一直到几十米，贵州盘兴高速公路夹马石特大桥最大墩高47 m，设计采用等截面形式，墩柱直径2.0 m，上部采用30 m跨径T梁。从经济及受力角度出发，采用空心墩混凝土可节约40%左右，且空心墩的弯剪扭性能较高，因此空心墩要优于实心墩。贵州盘兴高速公路黑箐大桥最大墩高达到82 m，设计截面采用6.5 m×3.6 m，壁厚0.55 m，墩身内设置1道横隔板。

2.2大跨连续刚构

当路线跨越深沟壑谷时，为降低施工难度往往采用悬浇施工的大跨径连续刚构桥梁，下部结构设计既要能够抵抗对设计起控制作用的风荷载，又要满足悬臂施工和成桥两种状态下的稳定要求，因此，理想的桥墩应具有较大的抗弯刚度和适当的抗推刚度。桥墩形式一般常采用双肢薄壁墩和单箱墩，墩高较低时为了增加美感也有采用X型、Y型和V型墩等。近几年国内建成的有代表性的几座高墩大跨刚构桥，如湖北龙潭河特大桥最大墩高175 m，采用双肢变截面薄壁墩，贵州赫章特大桥最大墩高达195 m，采用单肢变截面箱墩。正在施工的贵州盘兴高速公路下平川特大桥，主跨160 m，最大墩高142 m，考虑施工方便，设计采用单肢等截面箱型墩，如图1所示。

图1　桥墩构造剖面（单位：mm）

3　高墩受力研究

3.1计算模式与荷载

根据桥梁总体布跨情况，纵向计算应选取最不利一联，忽略梁体的纵向变形，各墩台顶按纵向合成抗推刚度分配纵向水平力，加上作用于墩顶的竖向力及弯矩，分别进行力学分析，求得墩顶、底最大内力。横桥向可直接简化为单悬臂梁计算墩底最大内力。

桥墩在桥梁结构中起到承受上部荷载，并将上部荷载及其自重传递给基础的作用，因此主要承受永久荷载、可变荷载和偶然荷载。对于山区钢筋混凝土桥墩，主要控制设计的荷载如下：永久荷载包括结构重力、混凝土收缩和徐变影响力、基础变位影响力；可变荷载包括汽车、人群荷载、以及由车辆荷载产生的冲击力、离心力及制动力、风荷载、温度（均匀温度和梯度温度）荷载；偶然荷载主要包括地震荷载。针对大跨桥梁尚应考虑施工最大悬臂时的不平衡弯矩，以此来确定主墩的合理刚度。由此可知，高墩在承受巨大上部竖向荷载的同时，也承受着较大的弯矩，属于典型的偏心受压构件。应根据最不利荷载组合结果，按照偏心受压构件验算桥墩的承载能力、裂缝以及稳定性。对于矩形实心桥墩，裂缝验算时应注意文献［1］中公式的适用范围［2］。对于空心桥墩，可视为空间壳体或组合板式结构，应特别注意验算温度应力、固端干扰应力及局部稳定问题。

3.2高墩计算长度

验算高墩的承载力、裂缝等均涉及到桥墩计算长度l0的取值，关于计算长度的算法，工程界至今一直没有定论。计算长度l0的几何意义是：中心受压杆失稳后，挠度曲线上两个相邻反弯点（弯矩为零）间的距离。文献［1］规定：当构件两端固定时，构件的计算长度取0.5l；当一端固定一端为不移动的铰时，取0.7l；当两端均为不移动的铰时，取1.0l；当一端固定一端自由时取2.0l，l为构件两支点间长度。桥梁实际的支撑条件与理想的边界条件有一定出入，因此本文对高墩进行了一类稳定分析，通过临界荷载求得计算长度。研究发现桥墩计算长度与桥墩直径、墩高组合、桥墩类型、基础条件以及上、下部结构间的连接形式均有关系。以盘兴高速公路上4×40 mT梁为例，下部结构采用双圆柱墩，桥梁上、下部采用板式橡胶支座连接时，不同墩高下桥墩的计算长度系数如表1所示，以墩高35 m为例，不同基础条件时桥墩的计算长度如表2所示，不同汽车荷载条件时桥墩的计算长度如表3所示。

表1　计算长度系数与墩高的关系

从表1中纵向计算结果来看，数值与一端铰接但可移动，一端固结的支撑条件较相符，此支撑条件下，美国AASHTO 规范和英国BS 5400 规范中规定的桥墩计算长度分别为2.1l和2.3l［3］。这与实际情况也是相符的，因为高墩本身具有一定柔性，墩顶势必随上部结构在水平力作用下移动。横桥向由于受到墩顶盖梁的限制，桥墩计算长度在1.3l左右。由表2、表3可知，对于桩柱式桥墩，考虑基础后桥梁整体的稳定系数变小，桥墩的计算长度系数有减小趋势；汽车荷载则对桥墩计算长度影响不大。

表2　计算长度系数与基础的关系

表3　计算长度系数与汽车荷载的关系

4　高墩稳定性能评估

薄壁高墩的稳定问题与强度同等重要，一直以来都受到工程界的重视。本文针对贵州盘兴高速公路上的高墩T梁桥及高墩大跨连续刚构桥分别进行了高墩的稳定分析。

4.1高墩整体稳定性

结构失稳是指结构外力增加到某一量值时，稳定的平衡状态开始丧失，外界稍有扰动，结构变形迅速增大，从而失去正常工作能力的现象。目前主要研究如下两类稳定问题：第一类是平衡分支点失稳，以小变形理论为基础，第二类是极值点失稳，以大变形非线性理论为基础l［4］。

本文采用Midas有限元软件建立稳定分析模型，求得80 m高墩T梁桥1阶模态为面内失稳（纵向侧倾），线弹性稳定系数为11.1，考虑非线性后稳定系数为2.2，可见常规高墩桥梁整体稳定满足规范要求。大跨连续刚构桥的稳定分析结果如表4所示。

由表4可知，两种状态下该桥1阶线弹性稳定系数均大于4，可满足规范要求。设计采用墩顶横系梁后，结构横向稳定性大大提高，成桥后全桥由横向失稳变为纵向失稳。考虑风荷载及温度梯度造成的结构初始弯曲的非线性影响后，施工最大悬臂及成桥状态下1阶稳定系数分别降低至8和23.4。

表4　下平川特大桥整体稳定分析

4.2高墩局部稳定性

薄壁矩形截面空心墩的局部稳定可根据四边简支板的弹性屈曲理论分析得到，通过有限元分析，其中弹性屈曲稳定安全系数可取5，则有：

式中：fck为混凝土轴心抗压强度标准值；Ec为混凝土的弹性模量。

盘兴高速公路T梁桥墩采用C40混凝土，由此可求得，避免桥墩发生局部失稳的宽厚比限值为29。国外的试验研究表明，当截面的净宽厚比小于15时，才不会发生局部失稳。盘兴高速项目高墩的宽厚比计算结果如表5、表6所示。

表5　盘兴高速T梁矩形空心桥墩截面宽厚比

从表中可以看出，设计截面尺寸均在容许宽厚比以内，桥墩出现局部失稳的风险很小，因此，薄壁墩局部稳定不控制设计。从施工便捷性考虑，设计可考虑取消空心高墩中的横隔板。

表6　下平川特大桥矩形空心桥墩的截面宽厚比

5　结论

通过本文的研究可得出如下结论：

（1）高墩的选型、设计是山区桥梁设计的关键。合理的桥墩形式既可以方便施工，又可以节约造价。

（2）高墩属于典型的偏心受压构件，桥墩计算长度的选取直接影响计算结果的准确性。而影响计算长度的因素很多，本文通过稳定计算给出了供设计参考的建议值。

（3）空心墩中的横隔板主要影响桥墩的局部屈曲稳定，对整体稳定影响可以忽略，设计可通过限制截面宽厚比使得高墩的局部稳定问题不控制设计。

（4）当桥墩较高时，大跨连续刚构桥梁采用等截面箱型薄壁墩既可以满足施工及运营阶段强度和稳定要求，又可以方便施工，是较理想的桥墩形式。

［1］JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］ 邓道祥.矩形偏心受压混凝土构件的裂缝计算［J］.市政技术，2008，26（6）：545-546.

［3］ 袁伦一.关于箱形截面连续梁及连续刚构设计的两点刍议［J］.公路，2009（7）：94-98.

［4］马保林.高墩大跨连续刚构桥［M］.北京：人民交通出版社，2001.

Design and Research on High Pier of Mountainous Bridge

Suo Huimin, Guo Hongyu
（JSTI Group, Nanjing 210017, China）

The high piers had been more and more extensively used in bridge construction. Based on the project of Pan-Xing expressway in guizhou province, this paper analyzed the high pier of typical mountainous bridge from the type selection, the stress and the stability of high pier. It could provide good reference for the design of high pier for the same type bridges.

mountainous bridge; high pier; effective length of pier; stability analysis

U443.22

B

1672-9889（2015）04-0049-05

索慧敏（1981-），女，山西大同人，工程师，主要从事交通行业桥梁结构设计工作。

（2014-11-09）