普速铁路105 m柱板式空心高墩细节设计研究

李兆章

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 概述

随着经济和社会飞速发展，我国铁路桥梁建设近20年取得了举世瞩目的成就，桥梁的作用不仅仅是跨越江河沟壑，从保护生态和节约耕地、保障城市发展等角度，桥梁都发挥着重要作用，甚至成为城市地标性建筑。近些年新建铁路和在建铁路中，桥梁比例一般在50%以上，部分线路甚至超过90%[1]，在众多的铁路桥梁中，标准简支梁和一般结构连续梁、连续刚构等建设技术非常成熟，从设计、施工、运维等每个阶段均有一整套完整理论或建造经验供参考和学习。而部分特殊结构桥梁特别是首次采用的新型结构，成为控制性工程，其建设成败关系到整个工程的安全。在特殊桥梁结构设计中，若只关注整体结构的指标计算，而忽略结构局部细节的处理，由此会造成结构可操作性、施工质量、耐久性等大大降低，由于细节处理不当，在施工和运营中出现开裂、大变形、脱落等事故时有发生，因此一个优秀的特殊结构设计应该全面统筹细节设计与整体设计[2]。

以黄韩侯铁路纵目沟特大桥5号主墩为背景，对新型柱板式空心高墩设计过程中几个细节，从设计、施工、试验等方面进行介绍。

2 工程概况

纵目沟特大桥位于黄陵—韩城—侯马铁路新建双线段内，线间距为4.0 m，设计速度160 km/h，属于“U”形黄土沟壑区，轨面至纵目沟沟心距离129.1 m，主桥范围内出露地层主要为第四系黄土，三叠系中统砂岩、泥岩。场地黄土属于中硬土，场地类型Ⅱ类。地震动峰值加速度为0.109g(相当于地震基本烈度Ⅶ度)，地震动反应谱特征周期为0.51 s；土壤最大冻结深度47 cm。主桥孔跨布置经过2×136 m预应力混凝土T构部分斜拉桥方案、2×136 m T构钢桁梁方案、(78+2×136+78)m连续刚构方案比选，综合安全、经济、施工、运维等技术详细分析，采用(78+2×136+78)m连续刚构方案[3]。主桥立面布置如图1所示。

其中，5号主墩墩高105 m，为西北铁路第一高墩。综合国内超过100 m铁路桥墩，其截面形式综合而言均采用圆端形、矩形、A字形空心墩，桥墩结构在任何工况下均整体受力[4]。传统高墩在罕遇地震状态下，墩身结构处于弹性工作状态时，基础往往受力过大成为设计难点。本桥由于地震烈度高，且位于5～30 m的湿陷性地层内，为减小不良地质条件带来的基础设计难度，借鉴房建框架-剪力墙结构，采用新型柱板式空心墩，即在罕遇地震下，连接板开裂破坏(类似建筑上的门窗)，墩柱和横梁成为主要受力构件保持完整(类似剪力墙和主梁)，桥墩刚度急剧下降，周期延长，地震作用大幅消减。而在正常运营和多遇地震作用下，桥墩整体受力工作，满足规范所要求的各项指标。该新型空心高墩结构为国内、国外首创铁路墩型，其构造如图2所示。

图2 柱板式空心墩构造(单位：cm)

主墩横截面经过多方案比选，墩柱采用正四边形倒50 cm半径圆弧截面形式，墩柱内切圆半径从墩顶3 m渐变至墩底5.5 m；连接板与墩柱之间连接为减小应力集中，采用50 cm×25 cm的倒角连接，连接板厚度由墩顶0.8 m变化至墩底1.0 m[5]。典型墩身横断面如图3所示。

图3 柱板式空心墩典型横断面(单位：cm)

本桥集“高墩、大跨、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”于一体。桥墩整体设计和细部计算分析均须满足规范要求。

3 墩身混凝土收缩分析

与传统铁路圆端形、矩形空心墩不同，5号主墩构造上由于薄壁板和墩柱连接处刚度变化大，倒角处容易产生应力集中。在施工过程中，由于混凝土浇筑时间差，龄期不同引起的收缩应力需引起重视，从构造和施工工艺上防止混凝土开裂。

3.1 收缩理论概述

混凝土是一种多相体，在以受压为主的桥墩结构中广泛应用，其优缺点非常明显：抗压强度高、耐久性好、取材方便、施工便捷，同时具有抗拉强度低、施工运营中容易开裂的缺点。根据相关文献，混凝土工程结构的裂缝80%以上是由于变形所产生(主要是收缩产生)[6]。因此本桥需详细分析施工过程中混凝土收缩的影响，避免混凝土受拉破坏。

3.1.1 塑性收缩

混凝土拌和并浇筑后4～15 h，处于流态的混凝土由于胶凝材料与水不断发生水化反应，在混凝土终凝前，出现失水收缩，骨料及胶合料相互产生不均匀的沉缩变形[7]，一般在塑性阶段发生在混凝土表面。

3.1.2 缩水收缩

塑性收缩完成后混凝土逐渐结硬，由于表层水分的蒸发较快，湿度降低明显，收缩面积大。而内部水分损失较慢，引起内外部收缩不均匀，致使表面混凝土受拉。混凝土硬化后的收缩以缩水收缩为主，也是引起开裂的主要原因[8]。

3.1.3 自生收缩

混凝土在硬化过程中，化学结合水与水泥化合的作用而引起的混凝土收缩，与外界湿度无关[9]。

3.1.4 炭化收缩

大气中的CO2与水泥的Ca(OH)2发生化学反应，释放出结晶水引起的收缩变形[10]。

3.1.5 约束条件引起的收缩

混凝土结构物在变形过程中受到约束而阻碍其正常变形而引起的收缩[11]。就本桥而言，墩底实体段的外部约束主要是承台、第1节4 m空心段的约束主要是墩底实体段。由于龄期的差别使前浇筑段约束后浇筑段的收缩变形，从而使混凝土受拉。

3.2 主墩混凝土收缩分析模型

采用Midas/Civil建立桩基、承台、墩身实体单元模型，桩土之间的约束作用使用土弹簧来进行模拟，具体刚度的数值按“m”法计算[12]。通过施工阶段对实际施工过程进行模拟，下横梁以下实体分析模型如图4所示。

图4 主墩墩身混凝土收缩分析模型

根据TB 1002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》第4.4.5条对混凝土收缩的计算规定：对混凝土收缩的影响，可按降低温度的方法来计算。对于分段浇筑的混凝土或钢筋混凝土结构，相当于降低温度10 ℃。根据规范要求，本设计采用降温10 ℃来模拟墩身混凝土的收缩[13]，施工阶段各施工构件、施工天数、荷载工况如表1所示。

表1 下横梁以下各节段施工模拟工况

3.3 各施工节段具体计算结果

根据前述施工阶段和荷载工况，对收缩模型进行施工阶段分析，墩身顺桥向各节段收缩计算结果见表2。

表2 墩身顺桥向混凝土收缩应力计算结果 MPa

墩身横桥向各节段收缩计算结果如表3所示。

表3 墩身横桥向混凝土收缩应力计算结果 MPa

下横梁以上桥墩收缩应力不控制设计，不再赘述。

3.4 计算结果分析

从计算结果看出，墩底5 m实体段施工完成后，浇筑墩底第1节4 m空心段，混凝土收缩引起的顺桥向局部拉应力最大可达7.3 MPa，如图5所示。究其原因主要是空心段缩水收缩；同时由于墩底实体段与空心段截面刚度变化大，混凝土龄期不同，实体段约束空心段收缩变形引起拉应力。

图5 浇筑第1节4 m空心段应力云图(单位：MPa)

连接板收缩产生拉应力有2种解决方案。方案1：第1节4 m空心段配置预应力钢束。经过实体建模分析后的结果来看，效果不明显，主要原因是墩柱刚度太大，无法发挥预应力效应。方案2：配置普通钢筋。通过计算，在第1节4 m空心段配置多层φ25 mm纵横向钢筋便能抵抗收缩拉应力，如图6所示。

图6 第1节4 m空心段普通钢筋布置

4 主墩基础设计

根据地质情况及主墩受力检算结果，承台以下主要为砂岩夹泥岩，基本承载力σ0=800 kPa，因此采用柱桩基础。由于地形条件所限，主墩位于沟底，施工便道较窄且迂回，钻孔桩机械等大型机械很难运输进场，为方便施工，减小运输风险，主墩桩基采用人工挖孔桩。经过计算，本桥桩基可采用38根φ2 m柱桩或者24根φ2.5 m柱桩，为增大施工空间，同时增大柱桩桩身面积，采用φ2.5 m桩径柱桩。桥址地形平面如图7所示。

图7 主墩桥址平面(单位：cm)

从图7可以看出，主墩承台位于沟心陡坎上，最低点高程651.0 m，梁底高程为767.23 m，按照常规桥梁设计，承台顶一般不露出地面，由此计算主墩墩高应该为116.5 m。由于本桥地震烈度高，墩身自重大，地震力和基础设计均是难点，采用新型柱板式空心墩目的就是为了减轻结构自重，减小地震力。若减小墩高，则效果最直接。因此本桥采用非常规设计，将承台和部分桩基高于地面[14]，出露部分桩基采用土层夯实，并在陡坎一侧设置挡墙进行加固，将墩高设计为105 m，减小墩高11.5 m，减少墩身混凝土约1 300 m3，极大减小了墩身、基础以及全桥的设计难度。

根据计算结果，本桥小里程侧桩基地势较低计入10 m自由桩长，须27 m方能满足要求，见图5中“1号桩”。其余桩基地势较高，无需计入自由桩长，计算只需要17 m即可满足。根据地形条件，主墩桩基采用不等长桩基设计[14]，真正做到“因地制宜”。

5 抗震试验构件设计

柱板式空心墩在国内首次采用，缺少相关抗震理论及试验研究可参考，因此拟采用局部模型的拟静力试验对该类桥墩的破坏模式和滞回特性进行研究，为设计提供参考依据[15]。对模型试验而言，主要是原型选取、尺寸、材料、边界条件等，关系到试验后期数据处理及结果的有效性[16]。

5.1 模型试验原型选取

5号主墩设置上、中、下3道横梁将主墩分为“4节”，上横梁以上为正方形等截面布置，纵横向连接板宽度相同，下横梁以下存在固端弯矩效应，均不适合作为试验构件原型[17]。上、中横梁之间连接板宽度纵向变化3.0～3.6 m、横向变化3.0～4.9 m，差距不明显，且本段存在恒载弯矩变向点。中、下横梁之间连接板宽度纵向变化3.7～5.0 m、横向变化5.3～9.3 m，纵横向板宽接差距接近1倍，可分别研究两种板宽在地震力作用下受力状态。

因此，试验构件综合考虑制作、运输、试验加载条件等，以中横梁和下横梁之间桥墩作为缩尺构件原型，以1∶10比例进行缩尺，纵横向分别制作3个模型进行试验。纵向连接板宽度42 cm，横向连接板宽度72 cm，墩柱边长30 cm。墩柱与连接板之间同样设置倒角连接，连接板厚度7 cm[18]。试验构件横截面如图8所示。

图8 试验构件布置(单位：cm)

缩尺模型材料采用与原型墩身一致的C50混凝土。钢筋设计按照相似关系[19]或与原型桥墩配筋率相同设置[20]。因此，缩尺模型立柱纵筋采用φ20 mm的HRB400钢筋，板上纵筋和箍筋采用φ6 mm的HPB300钢筋[21]。

5.2 连接板梗胁钢筋设计

一般梗胁钢筋均设置为满足保护层及锚固长度要求的加强筋，如图9(a)所示，实际桥墩尺寸较大，按此种布置方式不会造成钢筋互相干扰。但本试验构件由于连接板厚只有7 cm，上下两层钢筋在连接板交汇处弯钩干扰极大，也影响到混凝土浇筑，因此将梗胁加强筋合二为一，采用9(b)的钢筋布置方式，成功地解决了钢筋互相干扰问题。

图9 试验构件梗胁钢筋布置(单位：cm)

5.3 构件与地墙连接设计

试验构件与地锚钢板固结，再通过6根￠60 mm地锚螺栓与实验室地墙锚固。由于本实验需要测试构件的水平位移，因此地锚螺栓杆与地墙的连接紧密程度关系到实验数据的准确性。为此，在试验时，每个螺栓孔用2个半圆形楔形块将地锚螺栓杆塞紧，同时地面上施工2 cm厚的干硬砂浆层，将试验构件放上，确保试验构件的水平，再拧紧地锚螺栓。楔形块设计如图10所示。

图10 楔形块设计(单位：mm)

5.4 模型试验结果

对模型试验原型合理选取、构件钢筋优化设计及连接加固设计的基础上，通过对试件进行反复荷载作用下的拟静力试验研究，得到结构的破坏形式、滞回曲线关系、刚度、延性等抗震方面的主要结论如下。

(1)随着荷载增加，试件连接板受到剪切作用率先开裂，出现斜裂缝，逐渐相互交叉直至连通后，墩柱才开始出现水平裂缝。

(2)从循环加载过程形成的滞回曲线形状以及等效黏滞系数和能量耗散系数指标来看，试件具有良好的耗能能力。

(3)从试件开裂前和开裂后主拉应力和主压应力变化趋势看，当遭遇强烈地震作用时，先通过薄壁板开裂来消散地震输入的能量，从而保护墩柱结构安全。

(4)从试件的连接板和柱内的钢筋应变分析来看，连接板内纵筋先陆续达到屈服应变后，柱内的钢筋才逐步屈服，符合新型桥墩结构设计理念。

6 结语

以纵目沟特大桥新型柱板式空心墩为依托，对结构设计中几处重要的细节设计进行了探讨，综合分析，可得出如下结论。

(1)工程设计中具体的新问题意味着新思路、新理念、新结构的诞生。新型柱板式空心墩借鉴房建结构理念，打破传统高墩整体设计思路，采用可分离式桥墩构造的尝试，为桥梁特殊结构跨专业高度融合的解决途径起到示范作用。

(2)纵目沟特大桥柱板式空心墩在结构细节分析上，面向设计施工每一个环节。由收缩引起的拉应力远超出混凝土极限抗拉能力，通过比较分析后采用设置多层普通钢筋方式，既满足结构受力需要，又能防止混凝土开裂；对于高烈度地震区高墩大跨结构，根据地形条件，适当提高承台以及采用不等桩长设计，方案更具合理性。

(3)新型高墩缩尺模型试验设计以相似理论为基础，综合试验目的、加载条件及模型制作条件，选取最优化缩尺构件原型，确定模型最优化尺寸和材料。注意模型制作与实际工程施工的区别，钢筋设计也需灵活设计。同时必须考虑必要的连接构造措施，保证试验数据准确性。

黄韩侯铁路纵目沟特大桥已投入运营4年且目前状态良好，新型柱板式空心墩诸多细节设计在施工和运维中得到了验证。从勘测、设计、施工和运维全过程的深入研究，是保证每一个环节成功实施的基础。由于铁路建设标准的提升和修建水平的提高，越来越多的特殊结构桥梁正在成为工程的纽带，本文的研究成果可为类似工程建设提供重要参考。