雙線鐵路橋梁橋墩結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)性分析

李光鳳

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

鐵路橋梁具有建設(shè)規(guī)模大、里程長(zhǎng)、沿線地質(zhì)條件變化較大等特點(diǎn)，且常規(guī)結(jié)構(gòu)所占比例較高，以標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)為主。根據(jù)武廣高速鐵路橋梁的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，一般地質(zhì)條件下，橋梁下部結(jié)構(gòu)約占總投資的43%左右[1]，因此，對(duì)鐵路橋梁的橋墩形式進(jìn)行比較，并在樁基合理布置的基礎(chǔ)上，對(duì)橋墩經(jīng)濟(jì)性(包括承臺(tái)及基礎(chǔ)，下同)進(jìn)行分析具有實(shí)際工程意義。

本文以某設(shè)計(jì)車速200 km/h的客貨共線鐵路為工程背景，鐵路等級(jí)為I級(jí)，采用有砟軌道；區(qū)間正線為雙線，線間距為4.4 m；設(shè)計(jì)活載采用中-活載。正線采用雙線T梁，以32 m簡(jiǎn)支梁為主。

1 橋墩形式比較

橋墩下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足無縫線路軌道鋪設(shè)焊接長(zhǎng)鋼軌的技術(shù)要求，下部結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)保證足夠的水平剛度[2]。

考慮鐵路橋梁對(duì)下部結(jié)構(gòu)縱向剛度要求，橋墩一般采用實(shí)體墩和空心墩2種類型[3]。根據(jù)橋墩的橫斷面形式，一般分為矩形墩、圓端形墩和圓形墩。其中，矩形墩雖具有外形簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但水流阻力甚大，引起的局部沖刷也較大，一般較少采用。圓形墩多用于單線直線鐵路橋梁中。對(duì)于雙線鐵路橋梁，實(shí)體墩一般采用圓端形橋墩。實(shí)體墩和空心墩的綜合比較見表1。

表1 實(shí)體墩和空心墩的綜合比較

在墩身設(shè)計(jì)計(jì)算方面，實(shí)體墩需做以下方面檢算：①墩身截面應(yīng)力檢算；②墩身受壓穩(wěn)定性檢算；③墩身截面偏心檢算；④墩頂水平位移檢算。相對(duì)于實(shí)體墩，空心墩還應(yīng)考慮墩身局部穩(wěn)定、溫差及混凝土收縮的影響，并考慮墩身與頂帽下實(shí)體過渡段和基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)處固端干擾的影響[4-5]。

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，本工程橋墩形式可采用以下2種：通橋(2012)4104橋墩(簡(jiǎn)稱“通橋橋墩”)和空心墩。其中，通橋橋墩為實(shí)體墩。以32 m+32 m等跨為例，圖1～圖2給出2種橋墩的布置圖。

注：括號(hào)內(nèi)的數(shù)值適用于墩高H≥23 m橋墩。H≤14 m，n=∞；H>14 m，n=40。圖1 通橋(2012)4104橋墩布置圖(單位：cm)

圖2 空心墩布置圖(單位：cm)

由圖1和圖2可見，通橋橋墩的墩身橫向?qū)挾却笥诳招亩铡Ｔ陧槝蛳蚝穸确矫妫驑蚨盏暮穸纫∮诳招亩铡?/p>

根據(jù)本工程的墩高分布范圍，墩高基本在10～25 m之間。圖3、圖4分別給出了墩頂縱向剛度(不計(jì)橋墩基礎(chǔ))、墩身圬工量與墩高的關(guān)系曲線。

圖3 墩頂縱向剛度與墩高的關(guān)系曲線

圖4 墩身圬工量與墩高的關(guān)系曲線

由圖3和圖4可見，通橋橋墩和空心墩墩身的墩頂縱向剛度整體上隨墩高呈減小趨勢(shì)，通橋橋墩的縱向剛度小于空心墩。墩高14 m以內(nèi)時(shí)，通橋橋墩墩身圬工量小于空心墩；墩高大于14 m時(shí)，空心墩墩身圬工量小于通橋橋墩。

由于通橋橋墩和空心墩墩身坡率變化的墩高分界點(diǎn)分別為14 m和20 m，因此，墩頂縱向剛度曲線和墩身圬工量曲線在上述墩高位置處存在突變。

2 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋墩墩頂縱向水平剛度除與墩身的縱向剛度有關(guān)外，尚需考慮橋墩基礎(chǔ)的集成剛度。因此，除橋墩形式以外，應(yīng)對(duì)橋墩的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足橋墩下部結(jié)構(gòu)對(duì)縱向剛度的要求。

2.1 橋墩基礎(chǔ)形式

本工程橋墩基礎(chǔ)均采用群樁基礎(chǔ)。樁基布置時(shí)，樁徑優(yōu)先采用1 m和1.25 m 2種規(guī)格。當(dāng)樁長(zhǎng)超過50 m時(shí)，考慮采用1.25 m或以上樁徑。樁基的布置力求經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)樁基根數(shù)的不同，樁基布置分行列式和梅花型布置2種形式。

承臺(tái)厚度應(yīng)滿足剛性角要求，并不小于2 m。

2.2 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

樁基礎(chǔ)的剛度計(jì)算采用“m”法。“m”法假定地面處地基系數(shù)Cy為零，地面以下隨深度按比例增加，即Cy=my。m為水平地基反力系數(shù)隨深度增大的比例系數(shù)，kN/m4，m與土層性質(zhì)有關(guān)；y為計(jì)算點(diǎn)距地面的垂直深度，m。

為客觀分析橋墩的經(jīng)濟(jì)性，橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)采用統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，因此,墩頂縱向線剛度、墩頂位移和樁頭軸向力應(yīng)遵循相同的設(shè)計(jì)原則。表2列出了墩頂縱向剛度、墩頂位移和樁頭力的設(shè)計(jì)限值。

表2 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要限值

注：L為相鄰中較小跨的跨度，m。

2.3 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要結(jié)果

橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要包括橋墩基礎(chǔ)平面布置和樁長(zhǎng)計(jì)算。結(jié)合本工程地質(zhì)條件，考慮地質(zhì)條件對(duì)橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響，取m=2 000 kN/m4和m=5 000 kN/m4，分別進(jìn)行橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。圖5給出了2種m取值時(shí)，橋墩基礎(chǔ)(包括承臺(tái))圬工量與墩高的關(guān)系曲線。

由圖5可見，墩高17 m以內(nèi)時(shí)，2種橋墩的基礎(chǔ)圬工量差異較小；隨著墩高的增加，空心墩的基礎(chǔ)圬工量較通橋橋墩減小量越明顯。

3 橋墩經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 橋墩施工的經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于上述2種橋墩形式， 根據(jù)墩高不同，實(shí)體墩采用定制的鋼模板一次立模或分段立模的方式澆筑墩身混凝土。空心墩則均采用翻模施工的方法，分段支立、澆筑。

相對(duì)于實(shí)體墩而言，空心墩施工時(shí)需設(shè)置內(nèi)模，相應(yīng)增加了鋼模的用量和施工費(fèi)用。同時(shí)，空心墩內(nèi)模的安裝及拆除工作量較大。另外，由于空心墩墩身的配筋量較大，墩身鋼筋的加工和綁扎工作量相對(duì)較大，需投入更多的人力和機(jī)具設(shè)備。考慮到空心墩工期相對(duì)較長(zhǎng)，施工中的人力成本和機(jī)具設(shè)備的周轉(zhuǎn)費(fèi)用也進(jìn)一步增加。

因此，空心墩雖減小了墩身混凝土的用量，但相應(yīng)地增加施工成本，即空心墩的綜合單價(jià)更高。

3.2 橋墩經(jīng)濟(jì)性分析的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

橋墩經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，為簡(jiǎn)化分析，對(duì)橋墩、承臺(tái)和樁基礎(chǔ)的混凝土方量均以綜合單價(jià)作為計(jì)算依據(jù)。各部分混凝土的綜合單價(jià)根據(jù)以往類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定。表3列出了橋墩經(jīng)濟(jì)性分析的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表3 橋墩經(jīng)濟(jì)性分析的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.3 橋墩經(jīng)濟(jì)性分析的主要結(jié)果

在墩身和橋墩基礎(chǔ)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)各部分混凝土的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)橋墩(含基礎(chǔ))的總造價(jià)進(jìn)行計(jì)算。圖6分別給出了2種m取值時(shí)，橋墩及基礎(chǔ)總造價(jià)與墩高的關(guān)系曲線。由圖6可見，不同地質(zhì)條件下，墩高20 m以內(nèi)時(shí)，通橋(2012)4104橋墩經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于空心墩；墩高大于20 m時(shí)，空心墩經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

圖6 橋墩總造價(jià)與墩高的關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

1) 不同地質(zhì)條件下，隨著墩高增大，空心墩墩身及基礎(chǔ)圬工量均小于通橋(2012)4104橋墩。但空心墩墩身綜合單價(jià)高于實(shí)體橋墩，只有空心墩墩身及基礎(chǔ)圬工量與通橋橋墩差值達(dá)到一定程度時(shí)，空心墩總造價(jià)才會(huì)低于通橋橋墩。

2) 不同地質(zhì)條件下，通橋(2012)4104橋墩和空心墩之間經(jīng)濟(jì)性的墩高分界點(diǎn)均為20 m。

3) 墩高20 m以內(nèi)時(shí)，通橋(2012)4104橋墩經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于空心墩；墩高大于20 m時(shí)，空心墩經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，建議采用空心墩。

[1] 羅世東，王玉澤，許克亮.橋梁工程[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

[2] 鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10002-2017[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2017.

[3] 陳慧.鐵路橋梁圓端形空心墩的設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(4):77-79.

[4] 鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10092-2017[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2017.

[5] 趙亮,楊志勇,張亮亮,等.圓形空心墩日照溫度場(chǎng)Laplace變換解析計(jì)算[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2016,40(6):1003-1008.