渝利和蘭渝鐵路橋梁雙線圓端形空心墩設計

肖奇寧

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

橋墩輕型化的一個途徑，是將重力式橋墩改為空心橋墩，在相同結構穩定的條件下，以達到減輕重量、節省圬工的目的。若干年以來，隨著鐵路建設向山區發展，要求建造許多高墩，而空心墩又是高墩中的較好結構形式，結合滑動鋼模版的使用和進展，使空心高墩得到迅速的發展。圓端形空心墩，較之圓形空心墩，具有更大的橫向剛度，更合理的縱橫向尺寸結構搭配；較之矩形空心墩，具有更好的水流順暢性、更合理的水力特性、更方便的施工操作性；較之圓端形實體墩，雖施工難度加大、鋼筋用量較多，但在高橋墩情況下，它所具有的較大墩身剛度、較少墩身圬工量、較經濟的基礎形式，是實體墩不可比擬的。因此，本文將對圓端形空心墩的設計特點進行論述。

1 雙線圓端形空心墩與雙線圓端形實體墩的比較

1.1 適用范圍

對常用的24 m、32 m簡支梁圓端形實體橋墩而言，當墩高大于30 m時，設計需要較大的實體截面，墩身混凝土體積數量很大(在雙線時尤為突出)，墩身、基礎設計均不經濟。經驗表明，采用空心截面能較好地解決這一難題。

目前，在一些在建客貨共線及高速鐵路線上，為使橋墩獲得更大的剛度、節省墩身混凝土、盡量減少模板種類，對常用跨度簡支梁圓端形橋墩，在墩高大于30 m時，就已采用了空心截面。表1為渝利線和蘭渝線(時速200 km,Lp=32+32 m)雙線圓端形實體墩與雙線空心墩墩身工程數量與墩身縱向剛度對比表。

由表1可見，墩高越高，空心墩在增大墩身剛度、減少墩身混凝土上的優勢就越明顯，但鋼筋用量較實體墩多?？傮w而言，每52.253 kg鋼筋，換取節省1 m3混凝土，其性價比是值得的。且不說其可以減少材料運輸、提升環保狀態，其標準的鋼筋混凝土結構，可以增加結構物的彈性韌性，增加抗裂能力，對空心墩而言是至關重要的。

表1 Lp=32+32直(曲)線雙線圓端形實體墩與雙線圓端形空心墩墩身工程數量與墩身縱向剛度對比

1.2 構造特點

圓端形實體墩由頂帽、托盤、墩身組成，構造簡單；空心墩則包括上、下實體段，上、下倒角，空心墩身，墩內檢查通道，墩壁通風孔等，構造相對復雜。渝利線(圖1)和蘭渝線(圖2)時速200 km雙線，Lp=32+32 m雙線圓端形實體墩與雙線圓端形空心墩的構造圖。

按《鐵路橋涵設計基本規范》第5．3．14條，目前空心墩多為厚壁結構，墩頸處最小壁厚當為混凝土時不小于0.5 m；按文獻[6]介紹，在滿足局部穩定的前提下，一般空心墩可不設橫隔板。圓端形空心墩局部穩定性按t/R≥1/15控制原則設計。

圖1 雙線圓端形實體墩構造

圖2 雙線圓端形空心墩構造

1.3 計算內容

圓端形實體墩墩身設計主要包括：截面應力，偏心檢算，整體縱向穩定性檢算，墩身彈性變形產生的墩頂縱、橫向位移計算，墩身縱向剛度計算。

圓端形空心墩為空間板殼結構，墩身設計有其獨特之處：

截面應力檢算除按常規方法計算外荷產生的拉壓應力外，還應計入溫度應力、固端干擾應力的作用，高墩的自振頻率與風振也是截面應力的影響因素。

混凝土空心墩可不做截面偏心檢算，但截面拉應力值不得大于混凝土的容許彎曲拉應力，這是與實體墩不同的。

在穩定性方面，空心墩應進行整體穩定、局部穩定的檢算。

高墩的位移、剛度是墩身設計的控制條件。“日照溫差產生的墩頂位移”這一分項的增加，是與實體墩墩頂位移計算不同的；在考慮溫度應力、地震作用等因素而使空心墩墩身配筋較多，許多截面已超過了鋼筋混凝土截面的最小配筋率時，筆者認為，截面的抗彎剛度應取為0.8EI，這與實體墩抗彎剛度取1.0EI也是不同的。

在對列車豎向動力系數的采用上，實體墩可不計列車豎向動力作用；空心墩上實體段計算、墩身截面應力及配筋計算，均需計入列車豎向動力作用。

上下實體段設計，是空心墩的又一不同之處?？衫肁NSYS、MIDAS等空間計算程序進行應力分析，確定上下實體厚度、上下倒角大小等關鍵尺寸并指導配筋。

動力計算階段橋上無車時，橋墩橫向自振頻率、自振周期控制標準：

(1)《鐵路橋涵設計基本規范》(TB 10002.1-2005)第5.3.3條條文解釋中高墩(15 m≤H≤70 m)梁墩體系的橫向自振頻率f≥0.45+90/H1.3。

(2)《鐵路橋梁檢定規范》2004版≥橫向自振頻率f≥α1×24×SQRT(B)/H′。H′為橋墩全高(自基底或承臺底至墩頂)；α1=0.9；B為墩身橫向平均寬度。

(3)《鐵路工程設計技術手冊·橋梁墩臺》中，橋墩自振周期T≤0.25×SQRT(H)。H為墩底至墩頂的高度。

2 墩身尺寸設計的影響因素

(1)力學要求。圓端形空心墩必須滿足各種荷載作用下的強度、穩定性要求。

(2)剛度要求。眾所周知，當橋墩較高時，位移、剛度成了決定墩身尺寸的控制因素。通過調整墩身與基礎之間合理的剛度比值，可使下部結構更加經濟。

(3)跨度大小。跨度不同，橋墩承受的恒活載不同，列車豎向動力系數不同，墩頂縱、橫向位移容許值不同，墩頂縱向剛度限值不同等都很大程度地影響著墩身尺寸，一般情況下，跨度越大，墩身尺寸越大。

(4)速度大小。設計速度對墩身尺寸的影響主要體現在上下部結構技術標準的采用上。具體說來，設計速度不同，所采用的梁部就會有所不同(對墩身尺寸的影響參見本節相關論點)；橋墩設計所采用的列車活載類型(中活載、ZK活載)、墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角容許值1.0%、列車豎向動力系數計算方法、曲線離心力大小計算方法、作用位置等都會有所不同，直接影響著墩身設計。

(5)梁部類型。一般說來，雙線簡支T梁下的頂帽橫向尺寸會大于同跨度雙線整孔簡支箱梁；連續梁(如3×32 m連續梁)中墩的墩身尺寸會大于簡支梁(如32 m+32 m簡支梁)等，這些都從不同方面反映了梁型對墩身尺寸的影響。

頂帽尺寸的擬定，與所采用的梁型有關。應考慮頂梁時千斤頂放置空間需要、維修養護需要及施工時分片架梁、移梁需要，支承墊石邊緣距頂帽邊緣的最小距離應滿足相關規范的規定。此外，不同的梁部，橋墩檢查設備等附屬工程的設置也會有所不同。

(6)地質條件。地質條件對墩身尺寸的影響主要反映在對基礎剛度的影響上?；A剛度發生變化時，為滿足墩頂縱向剛度要求，墩身剛度需相應調整：在相同墩頂縱向剛度條件下，基礎剛度越大，墩身就可設計得較柔些；基礎剛度越小，墩身則必須剛勁些；其他條件均相同時，擴大基礎的墩身尺寸可設計得較樁基礎墩身尺寸的小。

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。

在墩頂縱向剛度相近的條件下，墩身與基礎的剛度比為40∶60時，下部結構圬工量最省。墩身剛度過小，必須加大樁間距以獲取較大的基礎剛度，造成承臺自重、襟邊土重的增加，單樁承載力的增大，從而影響到樁長或樁基根數；墩身剛度過大，較大的墩身尺寸、質量、相對較小的樁間距同樣會引起單樁承載力的增大，增加樁基工程量，甚至造成墩身剛度的浪費。上述結論是在特定的地質條件下得出的。若地質條件變化，基礎剛度相應變化，需調整墩身與基礎的剛度比才能使下部結構最經濟，墩身尺寸會因此變化。

(7)線路條件。橋墩所處的線路單雙線、直曲線條件，也會影響墩身尺寸選擇。一般說來，雙線圓端形空心墩的縱橫向尺寸均較單線大，局部穩定性差些，但截面拉應力、墩頂位移較單線墩小；雙線橋的直曲線墩可采用相同的尺寸，單線橋曲線墩的尺寸會比直線墩大，并可視具體情況設置橫向預偏心。

3 圓端形空心墩設計中的幾個常見問題

3.1 墩身尺寸對縱向剛度的影響規律

橋墩越高，墩頂縱向剛度越難滿足規范的要求，縱向剛度成為決定圓端形空心墩尺寸的重要因素。在選取了墩身與基礎的合理剛度比，明確了墩本身需要達到的縱向剛度后，就可在墩頸直徑D、墩頸壁厚t、墩身直段B、墩身外坡率next、墩身內坡nint這些主要尺寸上進行研究比較，以期用最小的圬工獲取最大的剛度。

由表2可見，在墩身剛度>1 500 kN/cm雙線范圍內，當墩身圬工相同時，對墩身剛度的貢獻由大到小排序為：墩頸直徑D>墩身外坡next>墩身直段B>墩身內坡nint>墩頸壁厚t。據此，可有針對性地調整墩身尺寸，使墩身設計經濟合理。

表2 Lp=32+32 m直(曲)線圓端形空心墩墩身尺寸表

3.2 單線曲線墩的橫向預偏心問題

與單線直線墩相比，曲線墩需承受來自橋面活載的離心力，當墩身截面較小時，離心力將額外產生較大的拉應力。為改善這種不利的受力狀態，受截面應力、偏心控制的圓端形實體墩大多設置了橫向預偏心，利用恒載橫向偏心力矩來抵消一部分曲線離心力矩，這已為許多工程實例所應用。

單線曲線圓端形空心墩則有所不同，在滿足墩頂位移(尤其是橫向位移)或縱向剛度的控制條件后，截面拉應力已大幅減小，多處于混凝土的容許彎曲拉應力范圍之內或少許超限；另一方面，曲線橫向位移計算不考慮恒載橫向偏心力矩影響，活載橫向偏心力矩產生的橫向位移在總位移中所占份額又較小，使得橫向預偏心的設置對減小墩頂橫向位移貢獻甚微。故單線曲線墩是否設置橫向預偏心，設計時應具體情況具體對待。

3.3 線路條件對截面尺寸的影響

不同線路條件下，圓端形空心墩的截面尺寸選用一般遵循以下規律：雙線空心墩及較大跨度(如64 m)的單線空心墩，墩身尺寸受墩身縱向剛度控制，直曲線墩可采用相同的空心圓端形截面尺寸；而常用跨度單線空心墩，除可能受墩身縱向剛度或縱向位移控制外，曲線墩還可能受墩身橫向位移控制，故曲線上多采用空心圓端形截面，直線上多采用空心圓形截面。

4 結束語

綜上所述，圓端形空心墩的設計，應根據橋梁孔跨、墩高、地質條件、墩身剛度的影響規律等因素，初步確定墩身與基礎的合理剛度比及墩身尺寸；再結合線路條件、梁部類型、設計速度等情況，對所擬橋墩進行風振、頻率、溫度應力、位移、剛度、穩定性、強度等計算；各項指標滿足要求后，綜合考慮下部結構的技術經濟性、附屬工程的布置形式、維修養護等需要，對墩身尺寸局部修改，作為最終的橋墩尺寸。

[1] TB 10002.1-2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

[2] TB 10002.4-2005鐵路橋涵混凝土和砌體結構設計規范[S]

[3] TB 10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S]

[4] 鐵運函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規范[S]

[5] 鐵道部第四勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊：橋梁墩臺[M].中國鐵道出版社，1997

[6] 鐵建設[2005]140號 新建時速200—250公里客運專線鐵路設計暫行規定[S]

[7] 鐵建設函[2005]285號 新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定[S]