淺談高速鐵路雙線空心橋墩的設(shè)計(jì)

1、<p>　　淺談高速鐵路雙線空心橋墩的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：從高速鐵路雙線空心橋墩的兩種常用墩型的比較入手，介紹了雙線圓端形空心橋墩和雙線矩形空心橋墩各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，歸納了影響橋墩尺寸的主要因素，論述了兩種墩型檢算不同點(diǎn)及地震檢算時(shí)柔度系數(shù)的選取，總結(jié)了墩身設(shè)計(jì)中的一些規(guī)律，闡述了高鐵雙線空心墩參考圖的設(shè)計(jì)流程及其主要控制點(diǎn)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高速鐵

2、路、雙線空心墩、設(shè)計(jì) </p><p>　　中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p><b>　　1、概述 </b></p><p>　　山區(qū)高速鐵路建設(shè)中，由于曲線半徑以及線路縱坡的限制，常需跨越?jīng)_溝及U形深谷。受力性能好、縱橫向剛度大又可顯著節(jié)省圬工的空心墩越來越多地應(yīng)用于高速鐵路高墩工程實(shí)踐中。根據(jù)墩身截面形狀的不同，高速鐵

3、路空心橋墩常分為雙線圓端形空心墩和雙線矩形空心墩。雙線圓端形空心墩，造型流暢，簡潔美觀，可減少水流沖刷的影響，適用于景觀要求高的城市及跨河橋梁(如圖1)。雙線矩形空心墩，造型穩(wěn)重，堅(jiān)固實(shí)用，不利于水流沖刷，適用于對景觀要求低的山區(qū)旱橋;在工程實(shí)踐中，為了滿足美觀要求以及減少水流沖刷的影響，常將矩形空心墩的四個(gè)角做成倒圓弧的型式(如圖2)。矩形空心墩較之同剛度的圓端形空心墩具有墩身尺寸較小，圬工量更省，模板倒用率高，較省模板等優(yōu)點(diǎn)，更適用

4、于山區(qū)旱橋的建設(shè)。為了提高工作效率及設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通常采用編制通用參考圖的辦法對橋墩進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。本文擬對高速鐵路雙線空心橋墩參考圖的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行論述。 </p><p><b>　　結(jié)構(gòu)尺寸的擬定 </b></p><p>　　高速鐵路橋梁對結(jié)構(gòu)剛度、變形及基礎(chǔ)沉降的要求比普通鐵路更為嚴(yán)格，同時(shí)，還要滿足《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50111-2006

5、的相關(guān)要求。這樣，就要求橋墩縱橫向線剛度要適配，墩身水平線剛度過大，地震力會增大，墩身鋼筋會增多，造成圬工浪費(fèi);若墩身水平線剛度過小，雖節(jié)省圬工，但基礎(chǔ)配置會很困難，這就要求橋墩設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合以上各個(gè)因素進(jìn)行綜合比選。 </p><p>　　2.1墩頂尺寸的擬定 </p><p>　　墩頂外形與梁形有很大關(guān)系，高速鐵路常匹配箱梁，因箱梁支承中心距一般較小，根據(jù)箱梁的構(gòu)造以及架設(shè)特點(diǎn)，墩頂常采

6、用無頂帽設(shè)計(jì)。故首先應(yīng)擬定墩頂尺寸，因?yàn)槎枕敵叽鐢M定好后，墩頸尺寸也隨之確定，而墩身結(jié)構(gòu)形式的合理與否與其頂部的尺寸密不可分。墩頂尺寸的擬定主要應(yīng)根據(jù)所采用的梁形、線間距、支座尺寸、支承墊石大小、維修養(yǎng)護(hù)需要、施工時(shí)架梁需要及支承墊石邊緣距墩頂邊緣的最小距離等，在滿足相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范要求的前提下，來擬定墩頂尺寸。此外，常在墩頂設(shè)置50cm深的凹槽，留出滿足梁底的養(yǎng)護(hù)維修凈空，讓檢查人員可以方便地從梁底下到墩身內(nèi)部。 </p>

7、<p>　　2.2墩身尺寸的擬定 </p><p>　　根據(jù)對空心墩的研究，墩身水平線剛度是橋墩設(shè)計(jì)的主要控制因素，墩頂尺寸、墩身內(nèi)外邊坡、墩頸壁厚等均為影響墩身線剛度的重要因素。按對墩身剛度的貢獻(xiàn)由大到小的排列順序?yàn)椋憾疹i縱向尺寸>墩身外坡率>墩身橫向尺寸>墩身內(nèi)坡率>墩頸壁厚。故合理選擇墩身剛度與基礎(chǔ)剛度的比例關(guān)系，是影響橋墩尺寸的重要因素。如墩身剛度過小，必須加大樁間距以獲

8、得較大的基礎(chǔ)剛度 ;而墩身剛度過大，較大的墩身尺寸會引起樁基工程量增加，造成墩身剛度的浪費(fèi)。比如《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》中規(guī)定32m跨度墩頂雙線最小縱向水平線剛度為350KN/cm，在參考圖設(shè)計(jì)時(shí)，筆者認(rèn)為在墩頂縱向剛度相近的條件下，綜合各方面因素，墩身縱向最小水平線剛度按800 KN/cm左右控制，墩身橫向最小水平線剛度按不小于1600 KN/cm控制比較合理。在選取了墩身與基礎(chǔ)的合理剛度比后，通過調(diào)整墩頸尺寸、墩身內(nèi)外邊坡、壁厚

9、等達(dá)到理想線剛度，使墩身設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。 </p><p>　　空心墩包括上、下實(shí)體段、上下倒角、空心墩身、墩壁通風(fēng)孔等。墩頂?shù)自O(shè)置一定高度的實(shí)體段以及空心與實(shí)體交接處梗斜的設(shè)置，是為了使應(yīng)力更好的傳遞與分布。 </p><p>　　空心墩高一般從30m~60m不等，通過合理分級達(dá)到模板種類少，圬工量相對合理，方便施工的目的，設(shè)計(jì)中首先應(yīng)確定墩身分級，分級過小，墩身圬工節(jié)省，但模板種類多，施

10、工不便。分級過大，模板種類少但造成墩身圬工浪費(fèi)。參考圖設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)對比分段，通常按10m高度分級設(shè)計(jì)，如H=30～39m、H=40～49m、H=50~60m三個(gè)墩高段分別設(shè)計(jì),墩身坡度采用一坡到底，每級采用相同坡率，用同一級別的最高橋墩按最小墩身線剛度要求來擬定本段墩身尺寸。為節(jié)省模板，方便施工，不同墩高級別常采用不同的墩頂尺寸，相同的墩身內(nèi)外邊坡率。 </p><p>　　由于雙線空心墩縱橫向尺寸較大，一般同一種

11、跨度的直線、曲線橋墩常合并設(shè)計(jì)，采用相同的墩身尺寸。 </p><p><b>　　2.3檢查設(shè)施 </b></p><p>　　墩頂設(shè)置圍欄和吊籃，墩底不設(shè)進(jìn)人洞，墩內(nèi)設(shè)置檢查爬梯。 </p><p><b>　　橋墩檢算 </b></p><p>　　按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》，目前雙線空心墩多

12、為厚壁結(jié)構(gòu)，墩頸處壁厚不小于0.5m。本文僅針對厚壁空心墩而論。需要作穩(wěn)定性、墩身強(qiáng)度、線剛度、位移、地震力等相關(guān)檢算。 </p><p><b>　　3.1穩(wěn)定性 </b></p><p>　　空心墩應(yīng)進(jìn)行整體縱向穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性檢算，值得注意的是圓端形空心墩與矩形空心墩在局部穩(wěn)定性檢算上有所不同。 </p><p>　　矩形空心墩采用如下

13、公式保證空心墩墩身的局部穩(wěn)定: </p><p>　　t——墩壁厚度；B——為所取墩壁厚度對應(yīng)邊的中面長度。 </p><p>　　圓端形空心墩采用如下公式保證空心墩墩身的局部穩(wěn)定: </p><p>　　t——墩壁厚度； R——墩壁圓弧段中曲面半徑；D——圓端形直線段長度。 </p><p><b>　　3.2墩身強(qiáng)度 </

14、b></p><p>　　空心墩可不做偏心檢算，但截面拉應(yīng)力不得大于混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力。墩頂實(shí)體段是為了使支座反力均勻地傳至墩壁，并減少活載沖擊力對墩壁的影響，墩底實(shí)體段是為了使墩壁應(yīng)力能擴(kuò)大傳到基底，使基底應(yīng)力分布較均勻。墩頂實(shí)體段順橋向按雙向受力，縱橋向按單向受力（深梁）進(jìn)行計(jì)算，墩頂上實(shí)體段最大拉應(yīng)力常出現(xiàn)在支墊墊石下方；墩底下實(shí)體段拉應(yīng)力常出現(xiàn)在下實(shí)體段頂部。故常在墩頂、底空心與實(shí)體段交界面上設(shè)

15、加強(qiáng)鋼筋，在頂帽凹槽、檢查孔等產(chǎn)生局部拉應(yīng)力的部位增設(shè)加強(qiáng)鋼筋，墩頂面設(shè)置鋼筋網(wǎng)等措施來保證空心橋墩的安全性。 </p><p><b>　　3.3溫度應(yīng)力 </b></p><p>　　由于空心墩內(nèi)外通風(fēng)不良，且混凝土本身導(dǎo)熱性能低，所以當(dāng)空心墩周圍氣溫發(fā)生變化時(shí)會使橋墩結(jié)構(gòu)不同部分迅速產(chǎn)生不均勻溫度分布，在很短時(shí)間內(nèi)形成相當(dāng)大的溫差，從而產(chǎn)生相當(dāng)大的溫差應(yīng)力。墩身

16、溫度應(yīng)力主要考慮水平溫度應(yīng)力和豎向溫度應(yīng)力。 </p><p>　　3.4固端干擾應(yīng)力 </p><p>　　根據(jù)《鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.4條，混凝土空心墩應(yīng)考慮空心段與墩頂實(shí)體過渡段聯(lián)結(jié)和與基頂實(shí)體段聯(lián)結(jié)處固端干擾的影響。 根據(jù)鐵基字(75)953號文：高度在50m以內(nèi)的空心墩，可以采用按懸臂理論計(jì)算的截面應(yīng)力增大50%考慮局部應(yīng)力，以此來計(jì)算固端干擾應(yīng)力。這里，矩

17、形空心墩與圓端形空心墩的固端干擾長度的計(jì)算是不同的。根據(jù)有限元的塊體元分析結(jié)果，矩形空心墩固端邊界干擾長度計(jì)算公式如下: </p><p>　　墩頂軸向壓力、彎矩作用時(shí)墩頂固端干擾長度： ；墩底固端干擾長度： </p><p>　　墩頂水平力作用時(shí)墩頂固端干擾長度：；墩底固端干擾長度：式中：t為墩身截面壁厚，b為墩身截面與t對應(yīng)邊的中面長度。 </p><p>　　

18、而圓端形空心墩圓端形空心墩固端邊界干擾長度計(jì)算公式如下: </p><p>　　式中：t為墩身截面壁厚，R為墩璧圓弧段的中曲面半徑。 </p><p><b>　　3.5風(fēng)振 </b></p><p>　　超過50m的高墩應(yīng)進(jìn)行風(fēng)振計(jì)算，風(fēng)荷載是高墩的主要側(cè)向荷載之一。風(fēng)荷載對高墩的作用有靜力和動(dòng)力兩部分，順橋向風(fēng)力分為平均風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓，對剛

19、度較小的高墩，風(fēng)振影響不能忽略。風(fēng)振計(jì)算所涉及的理論及公式參照《橋梁墩臺》中有關(guān)高墩風(fēng)振的內(nèi)容。 </p><p><b>　　3.6抗震檢算 </b></p><p>　　地質(zhì)條件對墩身的設(shè)計(jì)影響主要反映在對墩身的配筋上。鋼筋混凝土空心橋墩應(yīng)根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2009年版）(GB50111-2006）第7.1.4條進(jìn)行抗震強(qiáng)度及延性驗(yàn)算。 </p&

20、gt;<p>　　地震區(qū)墩身鋼筋應(yīng)按明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)分別進(jìn)行強(qiáng)度、延性檢算來確定。參考圖設(shè)計(jì)中，剛度選擇過大，適用范圍大，但地震力大，墩身鋼筋加強(qiáng)，會造成浪費(fèi);如剛度選擇過小，可節(jié)省圬工但適用范圍小也不合適。故參考圖設(shè)計(jì)時(shí)常按明挖基礎(chǔ)(II類場地、地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg=0.35s)和線上最具代表性樁基(II類場地、地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg=0.45s)布置，來計(jì)算綜合線剛度（不同墩高根據(jù)相應(yīng)的樁基布置計(jì)算出的墩身和基礎(chǔ)

21、的線剛度之和），分別進(jìn)行地震力強(qiáng)度檢算。綜合比較明挖和樁基計(jì)算結(jié)果，按控制工況配置墩身鋼筋。 </p><p>　　在工點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合線剛度大于參考圖設(shè)計(jì)所列值時(shí)，墩身鋼筋需另行檢算。 </p><p>　　3.7墩頂外力計(jì)算 </p><p>　　根據(jù)梁重、二期恒載、列車活載、設(shè)計(jì)速度、風(fēng)荷載、無縫線路力、直曲線及墩身尺寸等分別計(jì)算。墩頂外力計(jì)算是常規(guī)計(jì)算，這里不

22、再敘述。 </p><p><b>　　4、結(jié)語 </b></p><p>　　綜上所述，高速鐵路雙線空心橋墩的設(shè)計(jì)流程：首先根據(jù)孔跨、墩高、地質(zhì)條件、墩身剛度等因素，確定墩身與基礎(chǔ)的合理剛度并具以初步擬定墩身尺寸;再結(jié)合線路條件、梁重、設(shè)計(jì)速度等情況，對所擬橋墩進(jìn)行穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度、位移、地震力等檢算;并綜合考慮檢查維修、經(jīng)濟(jì)性等對墩身尺寸進(jìn)行局部修改，確定最終的

23、橋墩尺寸。 </p><p>　　高速鐵路空心橋墩參考圖的設(shè)計(jì)，是一個(gè)擬定→檢算→優(yōu)化→再檢算的優(yōu)化循環(huán)，目的在于既保證橋墩的安全可靠，又節(jié)省圬工。實(shí)現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，提高了設(shè)計(jì)工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院。鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊。橋梁墩臺【M】北京：中國鐵道出

24、版社。1997 </p><p>　　《新建時(shí)速200～250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（上、下）(鐵建設(shè)[2005]140號) </p><p>　　《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2005]285號) </p><p>　　高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）（TB10621-2009） </p><p>　　陳慧.《U