双线铁路桥梁桥墩结构与经济性分析

李光凤

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

铁路桥梁具有建设规模大、里程长、沿线地质条件变化较大等特点，且常规结构所占比例较高，以标准跨径简支结构为主。根据武广高速铁路桥梁的建设经验，一般地质条件下，桥梁下部结构约占总投资的43%左右[1]，因此，对铁路桥梁的桥墩形式进行比较，并在桩基合理布置的基础上，对桥墩经济性(包括承台及基础，下同)进行分析具有实际工程意义。

本文以某设计车速200 km/h的客货共线铁路为工程背景，铁路等级为I级，采用有砟轨道；区间正线为双线，线间距为4.4 m；设计活载采用中-活载。正线采用双线T梁，以32 m简支梁为主。

1 桥墩形式比较

桥墩下部结构设计时，为满足无缝线路轨道铺设焊接长钢轨的技术要求，下部结构纵向应保证足够的水平刚度[2]。

考虑铁路桥梁对下部结构纵向刚度要求，桥墩一般采用实体墩和空心墩2种类型[3]。根据桥墩的横断面形式，一般分为矩形墩、圆端形墩和圆形墩。其中，矩形墩虽具有外形简单、施工方便等优点，但水流阻力甚大，引起的局部冲刷也较大，一般较少采用。圆形墩多用于单线直线铁路桥梁中。对于双线铁路桥梁，实体墩一般采用圆端形桥墩。实体墩和空心墩的综合比较见表1。

表1 实体墩和空心墩的综合比较

在墩身设计计算方面，实体墩需做以下方面检算：①墩身截面应力检算；②墩身受压稳定性检算；③墩身截面偏心检算；④墩顶水平位移检算。相对于实体墩，空心墩还应考虑墩身局部稳定、温差及混凝土收缩的影响，并考虑墩身与顶帽下实体过渡段和基础联结处固端干扰的影响[4-5]。

结合项目特点，本工程桥墩形式可采用以下2种：通桥(2012)4104桥墩(简称“通桥桥墩”)和空心墩。其中，通桥桥墩为实体墩。以32 m+32 m等跨为例，图1～图2给出2种桥墩的布置图。

注：括号内的数值适用于墩高H≥23 m桥墩。H≤14 m，n=∞；H>14 m，n=40。图1 通桥(2012)4104桥墩布置图(单位：cm)

图2 空心墩布置图(单位：cm)

由图1和图2可见，通桥桥墩的墩身横向宽度大于空心墩。在顺桥向厚度方面，通桥桥墩的厚度要小于空心墩。

根据本工程的墩高分布范围，墩高基本在10～25 m之间。图3、图4分别给出了墩顶纵向刚度(不计桥墩基础)、墩身圬工量与墩高的关系曲线。

图3 墩顶纵向刚度与墩高的关系曲线

图4 墩身圬工量与墩高的关系曲线

由图3和图4可见，通桥桥墩和空心墩墩身的墩顶纵向刚度整体上随墩高呈减小趋势，通桥桥墩的纵向刚度小于空心墩。墩高14 m以内时，通桥桥墩墩身圬工量小于空心墩；墩高大于14 m时，空心墩墩身圬工量小于通桥桥墩。

由于通桥桥墩和空心墩墩身坡率变化的墩高分界点分别为14 m和20 m，因此，墩顶纵向刚度曲线和墩身圬工量曲线在上述墩高位置处存在突变。

2 桥墩基础设计

桥墩墩顶纵向水平刚度除与墩身的纵向刚度有关外，尚需考虑桥墩基础的集成刚度。因此，除桥墩形式以外，应对桥墩的基础进行设计，以满足桥墩下部结构对纵向刚度的要求。

2.1 桥墩基础形式

本工程桥墩基础均采用群桩基础。桩基布置时，桩径优先采用1 m和1.25 m 2种规格。当桩长超过50 m时，考虑采用1.25 m或以上桩径。桩基的布置力求经济合理。根据桩基根数的不同，桩基布置分行列式和梅花型布置2种形式。

承台厚度应满足刚性角要求，并不小于2 m。

2.2 桥墩基础设计原则

桩基础的刚度计算采用“m”法。“m”法假定地面处地基系数Cy为零，地面以下随深度按比例增加，即Cy=my。m为水平地基反力系数随深度增大的比例系数，kN/m4，m与土层性质有关；y为计算点距地面的垂直深度，m。

为客观分析桥墩的经济性，桥墩基础设计应采用统一的评判标准，因此,墩顶纵向线刚度、墩顶位移和桩头轴向力应遵循相同的设计原则。表2列出了墩顶纵向刚度、墩顶位移和桩头力的设计限值。

表2 桥墩基础设计的主要限值

注：L为相邻中较小跨的跨度，m。

2.3 桥墩基础设计的主要结果

桥墩基础设计主要包括桥墩基础平面布置和桩长计算。结合本工程地质条件，考虑地质条件对桥墩基础设计的影响，取m=2 000 kN/m4和m=5 000 kN/m4，分别进行桥墩基础的设计。图5给出了2种m取值时，桥墩基础(包括承台)圬工量与墩高的关系曲线。

由图5可见，墩高17 m以内时，2种桥墩的基础圬工量差异较小；随着墩高的增加，空心墩的基础圬工量较通桥桥墩减小量越明显。

3 桥墩经济性分析

3.1 桥墩施工的经济性分析

对于上述2种桥墩形式， 根据墩高不同，实体墩采用定制的钢模板一次立模或分段立模的方式浇筑墩身混凝土。空心墩则均采用翻模施工的方法，分段支立、浇筑。

相对于实体墩而言，空心墩施工时需设置内模，相应增加了钢模的用量和施工费用。同时，空心墩内模的安装及拆除工作量较大。另外，由于空心墩墩身的配筋量较大，墩身钢筋的加工和绑扎工作量相对较大，需投入更多的人力和机具设备。考虑到空心墩工期相对较长，施工中的人力成本和机具设备的周转费用也进一步增加。

因此，空心墩虽减小了墩身混凝土的用量，但相应地增加施工成本，即空心墩的综合单价更高。

3.2 桥墩经济性分析的经济指标

桥墩经济性分析时，为简化分析，对桥墩、承台和桩基础的混凝土方量均以综合单价作为计算依据。各部分混凝土的综合单价根据以往类似工程的设计经验确定。表3列出了桥墩经济性分析的主要经济指标。

表3 桥墩经济性分析的主要经济指标

3.3 桥墩经济性分析的主要结果

在墩身和桥墩基础计算分析的基础上，根据各部分混凝土的主要经济指标，对桥墩(含基础)的总造价进行计算。图6分别给出了2种m取值时，桥墩及基础总造价与墩高的关系曲线。由图6可见，不同地质条件下，墩高20 m以内时，通桥(2012)4104桥墩经济性优于空心墩；墩高大于20 m时，空心墩经济性更优。

图6 桥墩总造价与墩高的关系曲线

4 结语

1) 不同地质条件下，随着墩高增大，空心墩墩身及基础圬工量均小于通桥(2012)4104桥墩。但空心墩墩身综合单价高于实体桥墩，只有空心墩墩身及基础圬工量与通桥桥墩差值达到一定程度时，空心墩总造价才会低于通桥桥墩。

2) 不同地质条件下，通桥(2012)4104桥墩和空心墩之间经济性的墩高分界点均为20 m。

3) 墩高20 m以内时，通桥(2012)4104桥墩经济性优于空心墩；墩高大于20 m时，空心墩经济性更优，建议采用空心墩。

[1] 罗世东，王玉泽，许克亮.桥梁工程[M].武汉：湖北科学技术出版社，2015.

[2] 铁路桥涵设计规范：TB 10002-2017[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[3] 陈慧.铁路桥梁圆端形空心墩的设计[J].铁道标准设计，2009(4):77-79.

[4] 铁路桥涵混凝土结构设计规范：TB 10092-2017[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[5] 赵亮,杨志勇,张亮亮,等.圆形空心墩日照温度场Laplace变换解析计算[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(6):1003-1008.