淺談高速鐵路雙線空心橋墩的設計

1、<p>　　淺談高速鐵路雙線空心橋墩的設計</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及地震檢算時柔度系數的選取，總結了墩身設計中的一些規(guī)律，闡述了高鐵雙線空心墩參考圖的設計流程及其主要控制點。 </p><p>　　關鍵詞：高速鐵

2、路、雙線空心墩、設計 </p><p>　　中圖分類號：S611文獻標識碼： A </p><p><b>　　1、概述 </b></p><p>　　山區(qū)高速鐵路建設中，由于曲線半徑以及線路縱坡的限制，常需跨越沖溝及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用于高速鐵路高墩工程實踐中。根據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，堅固實用，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，更適用

4、于山區(qū)旱橋的建設。為了提高工作效率及設計質量，實現標準化設計，通常采用編制通用參考圖的辦法對橋墩進行系統(tǒng)性設計。本文擬對高速鐵路雙線空心橋墩參考圖的設計要點進行論述。 </p><p><b>　　結構尺寸的擬定 </b></p><p>　　高速鐵路橋梁對結構剛度、變形及基礎沉降的要求比普通鐵路更為嚴格，同時，還要滿足《鐵路工程抗震設計規(guī)范》GB50111-2006

5、的相關要求。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;若墩身水平線剛度過小，雖節(jié)省圬工，但基礎配置會很困難，這就要求橋墩設計時要結合以上各個因素進行綜合比選。 </p><p>　　2.1墩頂尺寸的擬定 </p><p>　　墩頂外形與梁形有很大關系，高速鐵路常匹配箱梁，因箱梁支承中心距一般較小，根據箱梁的構造以及架設特點，墩頂常采

6、用無頂帽設計。故首先應擬定墩頂尺寸，因為墩頂尺寸擬定好后，墩頸尺寸也隨之確定，而墩身結構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根據所采用的梁形、線間距、支座尺寸、支承墊石大小、維修養(yǎng)護需要、施工時架梁需要及支承墊石邊緣距墩頂邊緣的最小距離等，在滿足相關現行規(guī)范要求的前提下，來擬定墩頂尺寸。此外，常在墩頂設置50cm深的凹槽，留出滿足梁底的養(yǎng)護維修凈空，讓檢查人員可以方便地從梁底下到墩身內部。 </p>

7、<p>　　2.2墩身尺寸的擬定 </p><p>　　根據對空心墩的研究，墩身水平線剛度是橋墩設計的主要控制因素，墩頂尺寸、墩身內外邊坡、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由大到小的排列順序為：墩頸縱向尺寸>墩身外坡率>墩身橫向尺寸>墩身內坡率>墩頸壁厚。故合理選擇墩身剛度與基礎剛度的比例關系，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。比如《高速鐵路設計規(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，在參考圖設計時，筆者認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的合理剛度比后，通過調整墩頸尺寸、墩身內外邊坡、壁厚

9、等達到理想線剛度，使墩身設計經濟合理。 </p><p>　　空心墩包括上、下實體段、上下倒角、空心墩身、墩壁通風孔等。墩頂底設置一定高度的實體段以及空心與實體交接處梗斜的設置，是為了使應力更好的傳遞與分布。 </p><p>　　空心墩高一般從30m~60m不等，通過合理分級達到模板種類少，圬工量相對合理，方便施工的目的，設計中首先應確定墩身分級，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。參考圖設計時根據對比分段，通常按10m高度分級設計，如H=30～39m、H=40～49m、H=50~60m三個墩高段分別設計,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、曲線橋墩常合并設計，采用相同的墩身尺寸。 </p><p><b>　　2.3檢查設施 </b></p><p>　　墩頂設置圍欄和吊籃，墩底不設進人洞，墩內設置檢查爬梯。 </p><p><b>　　橋墩檢算 </b></p><p>　　按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》，目前雙線空心墩多

12、為厚壁結構，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、墩身強度、線剛度、位移、地震力等相關檢算。 </p><p><b>　　3.1穩(wěn)定性 </b></p><p>　　空心墩應進行整體縱向穩(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墩身強度 </

14、b></p><p>　　空心墩可不做偏心檢算，但截面拉應力不得大于混凝土的容許彎曲拉應力。墩頂實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，墩底實體段是為了使墩壁應力能擴大傳到基底，使基底應力分布較均勻。墩頂實體段順橋向按雙向受力，縱橋向按單向受力（深梁）進行計算，墩頂上實體段最大拉應力常出現在支墊墊石下方；墩底下實體段拉應力常出現在下實體段頂部。故常在墩頂、底空心與實體段交界面上設

15、加強鋼筋，在頂帽凹槽、檢查孔等產生局部拉應力的部位增設加強鋼筋，墩頂面設置鋼筋網等措施來保證空心橋墩的安全性。 </p><p><b>　　3.3溫度應力 </b></p><p>　　由于空心墩內外通風不良，且混凝土本身導熱性能低，所以當空心墩周圍氣溫發(fā)生變化時會使橋墩結構不同部分迅速產生不均勻溫度分布，在很短時間內形成相當大的溫差，從而產生相當大的溫差應力。墩身

16、溫度應力主要考慮水平溫度應力和豎向溫度應力。 </p><p>　　3.4固端干擾應力 </p><p>　　根據《鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規(guī)范》第5.1.4條，混凝土空心墩應考慮空心段與墩頂實體過渡段聯結和與基頂實體段聯結處固端干擾的影響。 根據鐵基字(75)953號文：高度在50m以內的空心墩，可以采用按懸臂理論計算的截面應力增大50%考慮局部應力，以此來計算固端干擾應力。這里，矩

17、形空心墩與圓端形空心墩的固端干擾長度的計算是不同的。根據有限元的塊體元分析結果，矩形空心墩固端邊界干擾長度計算公式如下: </p><p>　　墩頂軸向壓力、彎矩作用時墩頂固端干擾長度： ；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風振 </b></p><p>　　超過50m的高墩應進行風振計算，風荷載是高墩的主要側向荷載之一。風荷載對高墩的作用有靜力和動力兩部分，順橋向風力分為平均風壓和脈動風壓，對剛

19、度較小的高墩，風振影響不能忽略。風振計算所涉及的理論及公式參照《橋梁墩臺》中有關高墩風振的內容。 </p><p><b>　　3.6抗震檢算 </b></p><p>　　地質條件對墩身的設計影響主要反映在對墩身的配筋上。鋼筋混凝土空心橋墩應根據《鐵路工程抗震設計規(guī)范》（2009年版）(GB50111-2006）第7.1.4條進行抗震強度及延性驗算。 </p&

20、gt;<p>　　地震區(qū)墩身鋼筋應按明挖基礎和樁基礎分別進行強度、延性檢算來確定。參考圖設計中，剛度選擇過大，適用范圍大，但地震力大，墩身鋼筋加強，會造成浪費;如剛度選擇過小，可節(jié)省圬工但適用范圍小也不合適。故參考圖設計時常按明挖基礎(II類場地、地震動反應譜特征周期Tg=0.35s)和線上最具代表性樁基(II類場地、地震動反應譜特征周期Tg=0.45s)布置，來計算綜合線剛度（不同墩高根據相應的樁基布置計算出的墩身和基礎

21、的線剛度之和），分別進行地震力強度檢算。綜合比較明挖和樁基計算結果，按控制工況配置墩身鋼筋。 </p><p>　　在工點設計時，綜合線剛度大于參考圖設計所列值時，墩身鋼筋需另行檢算。 </p><p>　　3.7墩頂外力計算 </p><p>　　根據梁重、二期恒載、列車活載、設計速度、風荷載、無縫線路力、直曲線及墩身尺寸等分別計算。墩頂外力計算是常規(guī)計算，這里不

22、再敘述。 </p><p><b>　　4、結語 </b></p><p>　　綜上所述，高速鐵路雙線空心橋墩的設計流程：首先根據孔跨、墩高、地質條件、墩身剛度等因素，確定墩身與基礎的合理剛度并具以初步擬定墩身尺寸;再結合線路條件、梁重、設計速度等情況，對所擬橋墩進行穩(wěn)定性、強度、剛度、位移、地震力等檢算;并綜合考慮檢查維修、經濟性等對墩身尺寸進行局部修改，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計，是一個擬定→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。實現了橋梁設計的標準化，提高了設計工作效率和設計質量。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　鐵道第四勘察設計院。鐵路工程設計技術手冊。橋梁墩臺【M】北京：中國鐵道出

24、版社。1997 </p><p>　　《新建時速200～250公里客運專線鐵路設計暫行規(guī)定》（上、下）(鐵建設[2005]140號) </p><p>　　《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規(guī)定》(鐵建設函[2005]285號) </p><p>　　高速鐵路設計規(guī)范（試行）（TB10621-2009） </p><p>　　陳慧.《U