基于抗震设计的新型高墩构造比选——以黄韩侯铁路纵目沟特大桥105 m高主墩为例

李宗建

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

桥梁是铁路交通重要基础设施，在现代快速铁路设计过程中，从节约土地、缩短线路长度、并结合线路选线的需要，高墩大跨桥梁不可避免。20世纪80年代至今，我国在地震区陆续修建了许多高墩大跨铁路桥梁[1-6]，如表1所示。

表1 主墩高度100 m及以上铁路桥梁统计

既有超过100 m高墩结构，其截面主要采用圆端形空心墩、矩形空心墩、A字形空心墩[7](形式变化的矩形空心墩)，传统墩型具有结构整体性好、受力性能优越等优点，不足之处在于，高墩墩身主要受刚度条件控制，桥墩截面尺寸与圬工量均较大，在罕遇地震状态下，墩身结构处于弹性工作状态时，基础往往受力过大而设计困难，弱点也较为明显[8]。综合分析既有高墩大跨桥梁，从桥位地震力方面分析：除花土坡特大桥地震烈度为七度外，其余均位于六度地震区，罕遇地震作用下基础受力大幅减小，甚至成为非控制受力工况；从线路单双线方面分析：内昆线花土坡特大桥为单线桥，与双线桥相比墩身重力明显减小，地震力作用及基础设计难度也相应减小；从桥址地质情况方面分析：既有高墩大跨桥梁均位于岩石地层，良好的地质条件减小了高墩设计难度。

对比分析纵目沟特大桥，该桥为双线铁路桥梁，首先其地震烈度高：地震动峰值加速度为0.109g，相当于地震基本烈度7度，反应谱特征周期为0.51 s；其次该桥位于湿陷性黄土沟壑区，湿陷性土层厚度约5～30 m，以下为泥岩及砂岩地层，地质条件差。5号主墩墩高105 m，若采用传统空心高墩，罕遇地震下基础设计将是影响本桥成败的最大因素。为保证该桥顺利实施，本桥拟采用一种新型桥墩结构，并对其进行概念设计和构造刚度比选，进而进行全桥设计。

2 工程概况

黄陵—韩城—侯马铁路位于陕西省东部及山西省西南部，主要包括新建双线段、增建二线段、改造既有铁路段三段，正线全长204.5 km。

纵目沟特大桥位于新建双线段内，线路设计时速160 km。大桥跨越“U”形主沟，较宽较深，常流水，百年流量Q100=216 m3，流量不控制设计。

本桥跨越纵目沟主沟，桥位处线路轨底至主沟心高达129.1 m，主桥结构形式的选择及孔跨布置受线路方案及主沟地形、地貌、地质等条件控制，从安全性、经济性、美观性等技术详细分析，采用(79+2×136+79) m连续刚构方案，将主墩设置于相对平坦的沟心，方便施工，同时两侧次主墩刚好可位于平缓的台阶上，且墩高相等，最大限度减小不平衡弯矩[9]。主墩墩高105 m，次主墩墩高均为48 m，主墩、次主墩与梁体固结，共同承受全联地震力。两边墩为活动墩，墩高根据地形设置，高度为22.5 m和53.5 m。主桥立面布置如图1所示。

图1 纵目沟特大桥主桥布置(单位：cm)

3 梁部构造

箱形截面抗扭刚度大，能充分发挥整体受力作用，成为大跨度预应力混凝土桥优先选用的截面形式，根据已建成高墩大跨铁路梁体构造尺寸作为参考，纵目沟特大桥主墩、次主墩墩顶处设计梁高10 m(L/13.6)，合龙段及边墩现浇段梁高5 m(L/27.2)，梁底曲线采用1.8次抛物线，箱梁顶宽度为11.5 m，底宽7.2 m(L/18.9)。箱梁腹板厚50～100 cm；底板厚50～110 cm；顶板厚45 cm。顶板设120×40 cm的梗肋，底板设40 cm×40 cm的梗肋。箱梁在主墩和两次主墩墩顶均设两道横隔墙，考虑与桥墩顺接，厚度分别设计为300 cm和200 cm。主梁中支点及跨中截面尺寸见图2。

图2 主桥梁部横截面(单位：cm)

4 主墩概念设计

如前所述，国内铁路高墩设计一般均采用整体式桥墩。而在国外，多柱格构式桥墩已成为高墩抗震研究发展方向之一，比如美国Caltrans设计人员提出了一种用四面剪力墙连接4个正八边形角柱的空心高桥墩截面形式，见图3，角柱用螺旋箍筋对混凝土提供较强的横向约束，对提高墩柱的变形能力有很大的贡献，墙体主要功能是提高刚度和保证强度[10]。

图3 国外提出的桥墩截面形式

综合国内外高墩研究方向和思路，本桥提出了一种新型铁路桥墩形式—柱板式空心墩：以4根刚度较大的钢筋混凝土墩柱作为主要受力构件，墩柱间布置薄壁板将桥墩连成整体，沿墩高方向布置数道横梁增强墩柱及板的横向联系，该墩型设想构造截面如图4所示。在正常运营及多遇地震状态下，新型柱板式空心墩作为整体结构受力，可提供足够的刚度，在罕遇地震状态下，薄壁板由于刚度最小率先开裂，结构刚度迅速下降，周期延长，可大幅度消减地震作用[11]。同时，由于横梁的刚度相对墩柱较弱，本身轴力较小，梁端弯矩大于柱端弯矩，在罕遇地震作用下，横梁容易形成塑性铰，通过横梁的变形消耗地震能量[12]，达到了保护主体墩柱及基础安全的目的，避免桥梁结构整体跨塌。通过优化结构构造提高结构的整体抗震性能，从而降低工程造价，经济又合理[13]。通过已建成的几座超高墩墩身圬工量比较，新型柱板式空心墩可节省圬工20%以上[14]，有效减轻结构自重。

图4 柱板式空心墩概念设计横截面及构造

5 主墩构造及刚度比选

本墩墩高105 m，墩身构造主要涉及墩柱截面形式及尺寸、横梁设置道数、连接板厚度、墩身外轮廓线形、墩顶和墩底实体段长度等。对墩身刚度影响最大的墩柱截面形式和尺寸，并对影响施工工期较大的墩顶直线段长度进行重点说明。

为精确计算墩身刚度，沿墩高方向将墩身进行截面划分，约3 m划分一个横截面；横梁处划分3个横截面：横梁顶、横梁中、横梁底；墩顶和墩底空实交界处采用两个横截面分别模拟；墩顶和墩底实体段高度分别为3，5 m；连接板厚度考虑配筋需要及受力需要，在下横梁以下采用1.0 m，其余采用0.8 m[15]；墩顶3.0 m实体段外轮廓采用直线，以下102 m墩身外轮廓采用1.6次抛物线。墩身计算截面划分见图5。

图5 墩身计算截面划分

5.1 墩柱截面形式

墩柱截面形式主要从圆形截面、正八边形截面、正四边形截面进行比选，其横截面见图6，从受力角度及美观性上考虑，宜优先选择圆形截面，正八边形及正四边形依次次之。不同墩柱截面形式尺寸数据见表2。为尽可能比较出不同截面形式桥墩性能，桥墩其余参数取值相同，达到同精度比较。

图6 3种截面形式示意

表2 各类型墩柱截面尺寸统计

5.2 横梁布置

沿墩高方向布置3道横梁，横梁间距分别为：29(距墩顶),25,25,26 m(距墩底)，横梁高度设置为2 m，并设置0.5 m倒角段。横梁构造考虑受力需要、墩身施工布置劲性骨架需要、美观性需要等因素，横截面设计为距离墩柱内、外侧均0.5 m，如图7所示(以中横梁为例)。

5.3 墩顶和墩底实体段布置

墩顶实体段需预留后期检查条件，设置成空心截面，墩底则设置成实体，如图8所示(以圆形墩柱为例，其余类似)。

图7 3种墩柱截面横梁布置(单位：cm)

图8 墩顶和墩底截面(单位：cm)

5.4 主桥刚度控制

按照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”)，应该控制桥梁结构的横桥向第一阶振型的自振周期≤1.7 s[16]。要想减小自振周期，在其上部结构质量一定的情况下，就必须增大下部结构的刚度，即增加下部结构的外轮廓尺寸，也就相应地增加了下部结构的质量，这对减小桥梁的自振周期又是不利的，这就形成了一个不利循环。由于桥梁的自振周期随下部结构尺寸的增加变化非常缓慢，很难控制横桥向第一阶振型的自振周期。通过研究国内外已经建成的许多高墩柔性结构桥梁，特别是一些大跨度的斜拉桥、悬索桥，其自振周期普遍较大，但运行良好的实际情况，认为控制高墩大跨桥梁的横桥向第一阶振型的自振周期≤1.7 s并非该桥安全性和正常运营的必要条件，稍微增大自振周期可使桥梁下部结构的尺寸适当减小。特别是2010年建成通车的宜万铁路渡口河大桥主桥，其横桥向第一阶振型的自振周期为1.965 8 s，其运营状态良好。通常按铁路高墩大跨桥梁的横向基本周期控制在2 s之内确定桥墩的横向刚度，再通过车桥耦合进行验证[17]。

因此，本桥借鉴国内外近期桥梁设计成果，综合考虑，一阶横向周期按照1.9 s控制，一阶纵向周期按照2.1 s控制。

5.5 模型建立及计算分析

5.5.1 墩柱截面形式比选

主桥全桥模型采用桥梁通用软件Midas/Civil建立，主梁、主墩、次主墩、边墩均采用梁单元模型。按照主桥全桥实际构造建立有限元模型，主墩沿墩高方向划分49个截面，次主墩和边墩按照实际截面输入。承台底施加3个水平弹簧、3个转动弹簧，来模拟桩-土效应，全桥有限元模型如图9所示(以圆形墩柱为例)。

图9 主桥整体计算模型

根据3种墩柱截面构造，计算出其周期和墩身混凝土数量，见表3。其中一阶振型均为纵向平动，二阶振型均为横桥向平动，三阶振型均为横桥向反对称振动，四阶振型均为横桥向对称振动。

表3 不同墩柱形式全桥动力特性计算

通过表3可知：对此类高墩大跨的连续刚构桥，主墩墩柱尺寸的变化对结构刚度的影响较大。墩身圬工增大约3%，周期变化约1%。因墩身圬工的单价远远低于梁体圬工，为提高连续刚构的整体刚度，宜通过调整墩身构造及墩身外轮廓尺寸实现。

理论上，从设计的角度考虑，3种墩柱构造形式均可行，均能实现设计意图。但是本着施工方便的原则，圆形截面施工难度最大，正八边形次之，正四边形难度最小。2010年12月召开的“黄韩侯铁路重点及特殊结构桥梁施工图及施工方案审查会”，参会专家及代表对纵目沟特大桥形成审查意见如下：中墩柱采用矩形切角截面形式(切角尺寸不变)；加强中墩构造细节设计及施工质量控制，防止混凝土出现裂纹[18]。

因此，纵目沟特大桥主墩最终采用正四边形倒圆角截面形式，采用50 cm半径圆弧倒圆角；连接板与墩柱之间采用50 cm×25 cm的倒角连接，以减小应力集中，防止混凝土开裂。优化后的典型墩身横断面如图10所示。

图10 柱板式空心墩采用的典型横截面(单位：cm)

5.5.2 墩柱内切圆直径比选

为了进一步减轻结构自重，减小基础在地震力作用下的设计难度，采用内切圆直径为3 m(墩顶)～5.5 m(墩底)的模型，与内切圆直径为3 m(墩顶)～6.0 m(墩底)的模型进行比较，计算结果见表4。

表4 不同墩柱尺寸全桥动力特性计算

通过以上比较可知：通过减小墩柱内切圆直径，可有效减小墩身圬工538 m3，减小4.7%，但是一阶周期变化很小，只增大0.31%。因此，从减轻墩身自重的角度考虑，本桥主墩墩柱墩顶正四边形内切圆直径采用3 m，墩底采用5.5 m。

5.5.3 墩顶直线段长度比选

为提高结构的刚度，墩身圬工应适当集中在桥墩下部，同时将结构的重心下移，有利于提高行车性能。从主墩恒载内力弯矩图分布来看，墩顶以下35 m范围为弯矩变化点，如图11所示。

由于本桥主墩太高、太大，如何最大限度降低施工难度，保证施工质量是个难题。曲线桥墩模板的定位和曲线钢筋的绑扎越靠近墩顶施工难度越大，若尽可能延长墩顶直线段，则会给施工带来极大便利，大幅度缩短施工工期[19]。

因此，基于以上设计和施工考虑，拟将墩顶以下30 m设计成直线段，30 m以下75 m范围墩身纵横向均按照1.6次抛物线变化。由于本桥考虑把一阶纵向周期控制在2.1 s以内，为了不至于使墩身刚度减小太多，将主墩墩顶外轮廓尺寸由9 m×9 m，增大到10 m×10 m，同时将墩底墩身纵向尺寸由20 m减小到19 m，墩身横向外轮廓尺寸墩底保持为28 m不变。计算结果见表5。

表5 不同墩身外轮廓尺寸全桥动力特性计算

从计算结果来看，混凝土圬工减小1 062 m3，减小10.5%，但是一阶周期变化很小，只增大2.35%。因此，从减轻墩身自重、降低施工难度的角度考虑，将墩顶以下30 m设计成直线段，30 m以下75 m范围内，墩身纵横向均按照抛物线变化。

5.5.4 墩身竖向曲线线形比选

墩身竖向曲线线形对结构刚度、施工难度、美观度等影响较大，为此对墩身抛物线选取1.6次、1.8次、2.0次进行同精度方案比选，计算结果见表6。

表6 不同墩身竖向曲线线形全桥动力特性计算

与1.6次抛物线相比，1.8次抛物线一阶纵向周期增大0.8%，二阶横向周期增大1.9%；2.0次抛物线一阶纵向周期增大1.6%，二阶横向周期增大4.2%。随着抛物线次数增加，墩身刚度减小明显，1.8次抛物线横向周期接近本工程设定限制，2.0次超过限制。由于该墩型首次在高烈度地震区铁路上采用，从结构安全角度考虑，本次墩身竖曲线线形最终采用1.6次抛物线。

5.6 柱板式空心墩最终构造

综上所述，主桥5号主墩墩高105 m，采用新型柱板式空心墩。墩顶实体段高度为3 m，墩底实体段高度为5 m。墩顶以下30 m墩身设计为等截面直线段，以下75 m墩身按照1.6次抛物线变化，墩顶外轮廓尺寸10 m×10 m(纵向×横向)，墩底尺寸19 m×28 m(纵向×横向)。墩柱采用正四边形截面形式，内接圆半径尺寸3～5.5 m变化。连接板厚度0.8～1.0 m。沿墩高方向设置3道2 m高的横梁，横梁中心距离墩顶的距离分别为29，54，79 m。墩身纵横向、内外侧均按照1.6次抛物线变化，纵、横向连接板中心也按照1.6次抛物线变化。为减小墩身内外壁温度差，连接板上纵横向均设置1～1.5 m直径不等的通风孔[20]。详细构造见图12。

图12 柱板式空心墩详细构造(单位：cm)

6 结语

纵目沟特大桥为黄韩侯铁路重难点控制性工程，该桥集超100 m主墩、大跨长联、高烈度地震区、湿陷性黄土沟壑区、大体积混凝土、新型桥墩结构为一体，通过对新型柱板式空心墩概念设计和构造、刚度比选研究，初步揭示了柱板式空心墩的受力机理，验证了新型高墩在正常运营及罕遇地震下桥墩各部位工作状态。综合分析，可得出如下结论。

(1)新型柱板式空心高墩为铁路上首次采用，其受力特性介于传统整体式空心高墩与格构式桥墩之间，既继承了传统空心墩整体性好的优点，又兼有多柱格构式桥墩在罕遇地震下抗震性能优越的特性：通过连接板开裂形成格构式桥墩从而耗散地震能量。有效减轻墩身自重，减小罕遇地震下基础设计难度，达到了预定设计目标。

(2)纵目沟特大桥105 m柱板式空心高墩，将墩柱截面设计为正四边形，既能满足桥墩受力需要，又能极大地方便施工；墩柱与连接板设置倒角连接，能有效减小应力集中，防止墩身开裂，保证建设质量。

(3)对于高墩大跨结构，主墩尺寸和外轮廓线形对结构纵横向刚度影响较大。把墩身圬工及刚度集中置于中下部，降低结构重心，能有效提高墩身刚度，从而提高主桥整体受力性能；可将墩顶至弯矩变化零点设计为等截面直线段，再通过适当增大墩身外轮廓尺寸的方式，在满足桥墩受力的同时，可明显缩短施工工期、节约施工模板。

(4)超高墩大跨连续刚构桥不应把横桥向第一阶振型的自振周期T≤1.7 s作为其能够正常运营的必要条件，而应当进行全桥车桥耦合计算分析来判定桥梁各项指标，以适当减小墩身尺寸和圬工，减轻自重，经济性和美观性得到兼顾。

目前，黄韩侯铁路纵目沟特大桥已通车3年且运营状态良好，新型柱板式空心墩的设计研究成果在实践中得到了检验。随着我国西北地区铁路的不断建设发展，必将面临越来越多、越来越高的桥梁方案，本文的研究成果将有利于柱板式空心墩不断推广应用并完善，为类似工程建设提供参考。