山区高速铁路超高墩大跨桥梁的墩型设计研究

陈宇 李中辉

摘要 为研究山区高速铁路超高墩大跨桥梁的墩型设计，文章以某山区主跨144 m高速铁路连续刚构桥为依托工程，采用Midas/civil有限元软件，建立三维数值模型，揭示不同墩型对结构的静力特性、动力特性及工程经济性的影响，为后续山区大跨高墩桥梁墩型的设计提供参考。

关键词 山区;高速铁路;高墩;墩型设计

中图分类号 U442.5 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0141-03

0 引言

近年来高速铁路迅速发展，由于山区地形、环境复杂，铁路站站位选址困难以及线路线形要求高等因素，导致山区的高速铁路桥梁多为高墩大跨桥梁。特别是随着桥梁高度的增加，桥墩的工程造价占比迅速提高，在满足结构静力、动力要求下寻找合适的墩型变得日益迫切。

铁路超高墩常用墩型有板式墩[1]、A形墩[2，3]及双柱墩[4]（见图1），该文针对上述三种墩型从静力、动力及工程经济性等方面进行综合比选。

1 工程概况

以某山区高速铁路主跨144 m连续刚构为分析对象，梁体采用单箱单室变高度截面，最大刚构墩高159 m，最小刚构墩高111.5 m，平均墩高141.25 m。

经车桥耦合检算，桥墩横向自振周期为2.0 s左右时桥梁各项车桥指标均满足规范要求，故墩型比选时，选取该横向自振周期为主要控制指标，调整不同墩型的设计参数使各个墩型对应的横桥向刚度尽量接近，便于后续的墩型比较。

2 有限元模型

针对三种墩型，分别采用Midas/civil软件进行空间有限元建模，如图2所示。主梁及桥墩均采用空间梁单元模拟，通过刚臂模拟刚构墩与主梁之间的连接，通过弹性连接模拟边支座，主墩底部桩基约束通过节点弹性支承模拟。主梁采用C55混凝土，桥墩采用C45混凝土。

分别调整三种墩型的主要设计参数，使结构横向一阶自振周期尽可能接近于2.0 s左右，得到结构主要设计参数如表1所示。

3 方案比选

针对上述三种墩型，拟从静力计算情况、动力计算情况以及工程经济性三个方面进行综合比选。

3.1 静力计算对比

由于高速铁路设计时速为350 km/h，设计速度快，对结构刚度要求较高。该文结合《铁路桥涵设计规范》选取自振周期、活载作用下的跨中竖向位移、梁体风荷载作用下的跨中横向位移、墩顶残余变形和梁端活载转角等刚度指标作为静力计算对比的主要依据，三种墩型主要计算结果如表2所示。

由计算结果可知，三种墩型的梁端转角、跨中竖向位移均满足现行规范要求，三种方案均具备可行性。其中，A型墩横向周期最小，但由于压缩墩底外侧横向距离以减小横向自振周期至2.0 s，未能充分发挥下侧三角形框架的结构刚度，导致本设计A型墩横桥向位移最大;双柱墩横向自振周期最大，但为了使结构横向周期贴近目标值，双柱墩横向尺寸从墩顶至墩底均较大，结构线刚度亦最大;板式墩横向自振周期及线刚度介于A型墩与双柱墩之间，同时由于顺桥向墩壁整体性较好，板式墩纵向刚度亦最大。

从构件受力特性分析：板式墩在主要工况下受力均较为简单，墩身整体受力接近于单向的压弯受力构件，对基础要求较低;A型墩不仅分岔区受力复杂，其分叉支腿始终存在较大的水平分力，并将此水平力传递至基础，对基础形式和地质条件要求较高[5];双柱墩受力亦较为明确，墩柱传递竖向力为主，系梁稳定墩柱以减小其计算长度。

3.2 动力计算对比

为比选不同墩型对结构抗震性能的影响，选择桥位处的同一地震反应谱对结构进行动力计算，考虑桥位处为六度区，选取设计反应谱检算墩身受力。反应谱设计参数详见表3。

由于不同墩型，桥墩尺寸差异较大导致承载力亦差异较大，若比较墩身内力并不合适，为综合考虑地震作用效应与结构承载力，该文检算主墩配筋方式相同时的墩身应力情况，计算结果见表4所示。

根据计算结果可知，顺桥向地震作用下A型墩墩顶混凝土压应力、墩顶钢筋拉应力以及墩底钢筋拉应力最大，板式墩墩顶混凝土压应力、钢筋拉应力及墩底钢筋拉应力次之，双柱墩墩底除混凝土压应力偏大外其余部分受力均优于另外两种墩型;在横桥向地震作用下，A型墩与板式墩墩顶受力情况接近，板式墩墩底略优于A型墩，双柱墩墩顶、墩底受力情况均比A型墩及板式墩差。

从桥墩地震作用下的整体受力来看，双柱墩在顺桥向及横桥向地震作用下，墩顶、墩底等控制位置的应力情况均较为接近，另外两种墩型均存在部分控制位置的应力远大于另一位置，且双柱墩墩柱系梁可做延性设计当作耗能构件，故双柱墩在地震高烈度区优势明显;对于A型墩和板式墩，由于A型墩墩身重心远高于板式墩墩身中心，故A型墩的抗震性能略差于板式墩。

3.3 工程经济性比选

根据上述三个墩型的设计参数，统计出刚构主墩的主要构造参数及墩身数量如表5所示，据表可知A型墩混凝土方量最少、双柱墩次之，板式墩最高。

但由于A型墩分叉区及双柱墩柱身均横向倾斜，混凝土浇筑时稳定性差，需要设置劲性骨架等辅助措施[6]，相关施工工艺也与斜拉桥桥塔施工工艺一致，故A型墩分叉区和双柱墩柱身的混凝土指标均高于板式墩指标，由于双柱墩混凝土方量与板式墩接近，故其工程经济性在三个方案中最差。综合考虑劲性骨架、横向预应力及施工工艺的影响后，四个A型墩墩身造价合计约18 400万元，四个板式墩墩身造价约12 900万元。

由此可见，对于普通双线梁，板式墩在三种墩型中墩身造价最低，且板式墩墩底最大横向外距最小，更有利于控制基础规模，在涉水区域更能进一步控制基础造价。

对于宽幅的梁部，柱身间距可直接设计至合理值，无须通过设置横坡加大墩底柱间距及墩柱尺寸，此时双柱墩无须设置劲性骨架，施工措施较少，其经济性与板式墩接近。

4 结论

设计合理的板式墩、A型墩和双柱墩均可适用于高速铁路高墩设计，经过上述对比分析可得如下几个结论：

（1）板式墩墩身整体性好，构件受力状态简单，对基础要求较低，结构刚度及地震反应介于A型墩与板式墩之间，虽然圬工量较大，但是施工方式较为简单，施工措施费较低，工程经济性好。（2）A型墩墩身受力较为复杂，对基础及地质要求较高，抗震性能稍差，施工方式较为复杂，工程经济性差，但是景观效果好，若基础横向不受控，可通过拉大支腿间距迅速提高结构横向刚度。（3）双柱墩构件受力较为简单，适用于高烈度地区，其经济性受控于墩顶墩柱中心距，若墩柱中心距较小，墩柱两侧均需向外侧放坡以拉大墩底横向间距增大横向刚度，施工措施费较高，若墩柱中心距较大，单个柱身可横向对称设计，自身稳定性好，可减去不必要的施工措施费。

参考文献

[1]陈思孝，陈克坚，刘伟.襄渝增建二线铁路牛角坪特大桥设计[J].高速铁路技术，2011（6）：57-59+66.

[2]吳再新，陈思孝，张志勇，等.铁路梁桥A形超高桥墩概念设计研究[J].桥梁建设，2015（5）：88-93.

[3]陈思孝，陈克坚，李锐.A形高墩大跨度混凝土连续刚构桥设计技术研究[J].桥梁建设，2014（1）：63-68.

[4]杨国静，陈列，谢海清.适用于拱桥扣挂施工的T（刚）构高墩结构设计[J].桥梁建设，2018（2）：94-98.

[5]钟亚伟，陈思孝，李锐.地基对铁路A型超高墩刚构连续梁桥的受力影响研究[J].铁道标准设计，2015（4）：53-57.

[6]周敏.渝利铁路蔡家沟特大桥超高桥墩关键施工技术[J].山西建筑，2018（31）：166-167.