大跨连续刚构桥墩结构形式方案研究

2016-12-06杨斌

铁道勘察 2016年5期

关键词：墩顶刚构桥墩身

杨斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

大跨连续刚构桥墩结构形式方案研究

杨斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

大跨连续刚构桥墩除了需要满足结构以及施工运营阶段的最小纵、横向刚度要求外，应尽可能使其具有较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度，同时使其经济性最优。以兴保铁路安家山河大桥刚壁墩为工程背景，论述大跨高墩设计中的控制因素及要求。分析比较A形墩、矩形空心墩和双薄壁墩的构造特点及适用条件，对安家山河大桥刚壁墩不同墩形的设计指标进行深入的研究比较，并对其刚壁墩选型提出合理建议。研究表明，对于大跨高墩连续刚构桥，当相邻刚壁墩墩高相差过大时，矩形空心墩和双薄壁墩在更好地提供纵向柔度的同时，其纵向刚度匹配合理，且墩身圬工量较省。

连续刚构桥高墩刚度纵向柔度圬工量

安家山河大桥为兴保铁路冯家川站内四线桥，为跨越安家山河而设。本桥四线均为重载，各线从左至右线间距分别为5.5 m+5 m+5.3 m，设计时速120 km，处于直线和1‰的上坡段，地震基本烈度Ⅵ度。桥址区位于黄土峁梁区、地形起伏大，冲沟发育。安家山河河底较宽，两岸地形复杂，纵横向坡度陡，主桥采用(80+130+80) m刚构连续梁，桥面宽22.8 m，两个刚壁墩墩高分别为85 m和32 m，墩高相差大。为保证结构整体受力合理，两个刚壁墩的选型是该连续刚构桥设计的关键点，其立面布置如图1所示。

图1 安家山河大桥(80+130+80) m刚构连续梁立面布置(单位：cm)

对于铁路高墩大跨连续刚构桥桥墩的设计，除了需要检算结构的应力及强度外，还需要对墩身纵横向刚度、墩顶弹性水平位移及高墩的稳定性加以特别关注。以安家山河大桥的两个刚壁墩为工程背景，在满足高墩设计关键技术条件下，深入研究分析了合理的桥墩结构形式。

1 高墩设计中的控制因素

1.1 墩身刚度

高墩的墩身纵、横向刚度是设计中需要考虑的关键因素。对于连续刚构桥来说，梁体本身与刚壁墩柱所承担的弯矩取决于两者的相对刚度，而且刚壁墩柱的抗推刚度与梁体的收缩、徐变及温度应力也直接相关。墩身刚度越大，所分担的内力就越大，刚壁墩墩顶负弯矩大，梁自身的抗弯能力不能有效发挥作用。在悬臂施工过程中，梁体会产生不平衡弯矩，设计中需要考虑桥墩本身应具备一定的抗弯刚度和抗扭刚度。还应采用合适的墩梁刚度比，这对于全桥结构受力合理、最大限度发挥材料的力学性能和降低工程造价十分重要。

通常来讲，刚壁墩的横向约束与纵向约束相比相对较弱，特别是横向在受到不平衡荷载作用时，桥墩容易产生扭曲、变位。这时可以通过增加下部结构的横向刚度来增大刚壁墩的横向稳定。设计中通常以结构的自振频率来控制其横向刚度，参考南昆铁路四桥设计的要求，以第一阶横向自振周期不大于1.7s[1]控制。

由此可以得出，应尽可能使桥梁结构具有较大的横向刚度和一定的纵向柔度，这样桥梁下部结构设计才是最合理的，对于连续刚构桥来说，此时上部梁体结构的受力状态与连续梁很接近。

1.2 墩顶弹性水平位移

为了保证运营时线路稳定，列车能迅速安全通过，必须使桥墩具有足够的水平刚度，也就是必须限制墩顶的弹性水平位移。因此，在连续刚构桥刚壁墩墩身截面设计中，必须检算墩顶的水平位移是否满足要求。

墩顶纵向水平位移与墩身纵向刚度密切相关。设计时，当桥墩的纵向刚度过大，由活载作用、制动力、温度力、自身的混凝土收缩徐变引起的结构内力相应增加；当桥墩的纵向刚度过小时，其自身的墩顶水平位移相应增加。同样，墩顶的横向水平位移与墩身横向刚度也息息相关。

1.3 墩身的稳定性

高墩设计中另外一个控制因素是墩身的稳定性。与实体墩相比，薄壁空心墩圬工量节省的同时，还能提供较大的截面惯性矩，墩身刚度容易满足要求，混凝土材料的力学性能得到充分的发挥，通过对薄壁墩壁厚与边长比值的限制来保证其局部稳定性。由实验分析可知，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)[1]。

2 桥墩结构选型

实际工程设计中，墩顶水平位移，墩身刚度、强度、稳定性等控制因素是重点关注对象，为了满足要求，大跨高墩多采用A形墩、矩形空心墩和双薄壁墩。三种墩型分别具有如下特点，设计中应根据需要选择合适的截面形式。

(1)A形桥墩结构形式能有效解决超高墩桥梁横向刚度的难题，同时还能节省材料，具有结构刚度大、适用性强、投资省、运营养护成本低等优点，可为山区铁路跨越高峡、深谷提供强有力的技术支持。

(2)矩形空心墩与双薄壁墩相比，虽然其柔度不及双薄壁墩，但矩形空心墩较双薄壁墩的抗扭能力好，抗推能力强，整体稳定性安全系数也比双薄壁墩大；而双薄壁墩的抗弯能力比矩形空心墩大，墩身允许的水平位移也大；当墩高增加，矩形空心墩的允许纵向位移也随之增大。

(3)采用双薄壁墩，墩高一般都不大，为了能够提供较大的整体抗弯刚度和较小的纵向抗推刚度，可以使双薄壁墩保持一定的距离，这样可减少墩柱对梁体的约束，墩顶处梁的受力也相应减小，达到了降低墩顶负弯矩的目的，具有较明显的“削峰”作用。

(4)当刚壁墩墩高超过百米时，A形墩和矩形空心墩在较好满足纵向柔度的同时，还能提供相当大的横向刚度，但A形墩施工模板较为复杂，难度较大。铁路桥墩设计中，采用双薄壁墩时，一般保证墩高不超过百米，当墩高较高时，则需要较大的横向截面尺寸，必要时还需增加纵向横联。此时，圬工量相应增加，较A形墩和矩形空心墩相比，经济性较差。

3 安家山河大桥刚壁墩结构形式选择

安家山河大桥主桥孔跨布置为(80+130+80)m连续刚构，可研设计阶段，为保证85m高的刚壁墩满足墩身横向刚度要求，减小基础规模，采用A形墩形式。但初步设计阶段，根据线路总体设计方案的调整，本桥桥上线路由双线调整为四线，孔跨形式及桥墩高度不变。由于四线桥墩横向尺寸大，其横向刚度不再是控制因素，故在保证结构安全、造价经济的前提下，刚壁墩墩形方案存在优化的空间。

安家山河大桥5号高墩选择A形墩与矩形空心墩两种墩形作为备选对象；6号矮墩选择矩形空心墩与双薄壁墩两种墩形作为备选对象。为比较不同墩型的优劣，保持桥墩截面尺寸及其他参数不变，采用MidasCivil有限元程序建立不同墩型组合的3个模型，通过结构自振频率、墩顶位移、纵向刚度、混凝土量的差异进行对比分析。

3.1 方案一

5号高墩采用A形墩和矩形空心墩，矮墩采用矩形空心墩，如图2所示。

图2 方案一

通过检算对比分析，两种桥墩结构形式设计指标如表1所示。

表1 不同墩身结构形式设计指标对比

计算结果表明：5号高墩分别采用A形墩和矩形空心墩，结构自振频率均可满足规范要求；墩顶纵向位移和纵向刚度值均满足规范要求，二者差别不大。但矩形空心墩的墩身混凝土数量较A形墩节省较多。可见5号墩采用矩形空心截面不但节省了工程数量，同时还保证了横向刚度，减轻了墩身自重，从而优化了基础设计。3.2 方案二

在选定5号高墩的墩形方案后，通过合理的纵向刚度匹配来确定6号矮墩的墩形，矮墩分别采用矩形空心墩和双薄壁墩，如图3所示。

图3 方案二

通过检算对比分析，两种桥墩结构形式计算指标如表2所示。

表2 不同墩身结构形式设计指标对比表

计算结果表明：6号矮墩分别采用双薄壁墩和矩形空心墩，在自振频率和墩顶位移均满足规范要求的前提下，其纵向刚度分别为2 577 kN/cm和20 833 kN/cm，而5号高墩的纵向刚度为1 347 kN/cm，6号矮墩采用双薄壁墩时，两墩的纵向刚度更接近，结构体系受力最合理，且双薄壁墩墩身混凝土较矩形空心墩减少14.1%。

安家山河大桥两个刚壁墩结构形式采用了矩形空心截面和双薄壁实心截面。保证了全桥结构的合理性，减少了混凝土的工程量，同时墩形简洁，施工方便。