鐵路橋梁圓端形空心墩的設(shè)計(jì)

鐵路橋梁圓端形空心墩的設(shè)計(jì)陳慧【摘要】從圓端形空心墩與其他幾種常用鐵路橋墩的比較入手，介紹圓端形空心墩的適用范圍、構(gòu)造特點(diǎn)、計(jì)算內(nèi)容；通過(guò)對(duì)圓端形空心墩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)及對(duì)不同時(shí)速規(guī)范、暫行規(guī)定的理解，歸納了影響圓端形空心墩尺寸的主要因素；在對(duì)圓端形空心墩設(shè)計(jì)中大量計(jì)算數(shù)據(jù)研究比選的基礎(chǔ)上，論述了空心墩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，總結(jié)了墩身設(shè)計(jì)中的一些規(guī)律；闡述了空心墩的設(shè)計(jì)流程及其控制點(diǎn)?！酒诳Q(chēng)】鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)【年(卷)，期】2009(000)004【關(guān)鍵詞】鐵路橋梁；空心墩；設(shè)計(jì)1概述隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，受力性能好、縱橫向剛度大、又能節(jié)省圬工的空心墩越來(lái)越多地應(yīng)用于工程實(shí)踐。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搭配；較之矩形空心墩，具有更好的水流順暢性、更方便的施工操作性；較之圓端形實(shí)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(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式，是實(shí)體墩不可比擬的。因此，本文將對(duì)圓端形空心墩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行論述。2圓端形空心墩與實(shí)體墩的比較適用范圍對(duì)常用的32、24m簡(jiǎn)支梁圓端形實(shí)體橋墩而言，當(dāng)墩高大于30m時(shí)，設(shè)計(jì)需要較大的實(shí)體截面，墩身混凝土數(shù)量很大（在雙線(xiàn)時(shí)尤為突出），墩身、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)驗(yàn)表明，采用空心截面能較好地解決這一難題。目前在一些在建客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上，為使橋墩獲得更大的剛度、節(jié)省墩身混凝土、盡量減少模板種類(lèi)，對(duì)常用跨度簡(jiǎn)支梁圓端形橋墩,在墩高大于15m時(shí)，就已采用了空心截面。表1為合武線(xiàn)（時(shí)速250km雙線(xiàn)）32m+32m圓端形實(shí)體墩與空心墩墩身工程數(shù)量與墩身縱向剛度對(duì)比表。由表1可見(jiàn)，墩高越高，空心墩在增大墩身剛度、減少墩身混凝土上的優(yōu)勢(shì)就越明顯，但鋼筋用量較實(shí)體墩多。（2）構(gòu)造特點(diǎn)圓端形實(shí)體墩由頂帽、托盤(pán)、墩身組成，構(gòu)造簡(jiǎn)單；空心墩則包括上、下實(shí)體段，上、下倒角，空心墩身，墩內(nèi)檢查通道，墩壁通風(fēng)孔等,構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。圖1為包神線(xiàn)（時(shí)速200km雙線(xiàn)）32m+32m圓端形實(shí)體墩與空心墩的構(gòu)造圖。按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》第5.3.1條,目前空心墩多為厚壁結(jié)構(gòu)，墩頸處壁厚不小于0.5m（本文也主要針對(duì)厚壁空心墩）；按文獻(xiàn)［1］介紹，在滿(mǎn)足局部穩(wěn)定的前提下，一般空心墩可不設(shè)隔板。⑶計(jì)算內(nèi)容圓端形實(shí)體墩墩身設(shè)計(jì)主要包括：截面應(yīng)力，偏心檢算,整體縱向穩(wěn)定性檢算，墩身彈性變形產(chǎn)生的墩頂縱、橫向位移計(jì)算,墩身縱向剛度計(jì)算。圓端形空心墩為空間板殼結(jié)構(gòu)，墩身設(shè)計(jì)有其獨(dú)特之處：截面應(yīng)力檢算除按常規(guī)方法計(jì)算外荷產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力外，還應(yīng)計(jì)入溫度應(yīng)力、固端干擾應(yīng)力的作用，高墩的自振頻率與風(fēng)振也是截面應(yīng)力的影響因素?；炷量招亩湛刹蛔鼋孛嫫臋z算，但截面拉應(yīng)力值不得大于混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力，這是與實(shí)體墩不同的。在穩(wěn)定性方面，空心墩應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定的檢算。高墩的位移、剛度是墩身設(shè)計(jì)的控制條件。〃日照溫差產(chǎn)生的墩頂位移”這一分項(xiàng)的增加,是與實(shí)體墩墩頂位移計(jì)算不同的；在考慮溫度應(yīng)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(guò)了鋼筋混凝土截面的最小配筋率時(shí),筆者認(rèn)為，截面的抗彎剛度應(yīng)取為0.8EI,這與實(shí)體墩抗彎剛度取1.0EI也是不同的。在對(duì)列車(chē)豎向動(dòng)力系數(shù)的采用上，實(shí)體墩可不計(jì)列車(chē)豎向動(dòng)力作用；空心墩上實(shí)體段計(jì)算、墩身截面應(yīng)力及配筋計(jì)算，均需計(jì)入列車(chē)豎向動(dòng)力作用。上下實(shí)體段設(shè)計(jì)，是空心墩的又一不同之處?？衫肁NSYS、MIDAS等空間計(jì)算程序進(jìn)行應(yīng)力分析，確定上下實(shí)體厚度、上下倒角大小等關(guān)鍵尺寸并指導(dǎo)配筋。3墩身尺寸設(shè)計(jì)的影響因素力學(xué)要求圓端形空心墩必須滿(mǎn)足各種荷載作用下的強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求。剛度要求眾所周知,當(dāng)橋墩較高時(shí)，位移、剛度成了決定墩身尺寸的控制因素。通過(guò)調(diào)整墩身與基礎(chǔ)之間合理的剛度比值，可使下部結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)。跨度大小跨度不同，橋墩承受的恒活載不同，列車(chē)豎向動(dòng)力系數(shù)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。速度大小設(shè)計(jì)速度對(duì)墩身尺寸的影響主要體現(xiàn)在上下部結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的采用上。具體說(shuō)來(lái)，設(shè)計(jì)速度不同,所采用的梁部就會(huì)有所不同（對(duì)墩身尺寸的影響參見(jiàn)本節(jié)相關(guān)論點(diǎn)）；橋墩設(shè)計(jì)所采用的列車(chē)活載類(lèi)型（中活載、ZK活載）、墩頂橫向水平位移弓I起的橋面處梁端水平折角容許值（1.0%。、1.5%。）、列車(chē)豎向動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方法、曲線(xiàn)離心力大小計(jì)算方法、作用位置等都會(huì)有所不同，直接影響著墩身設(shè)計(jì)。（5） 梁部類(lèi)型—般說(shuō)來(lái),雙線(xiàn)簡(jiǎn)支T梁下的頂帽橫向尺寸會(huì)大于同跨度雙線(xiàn)整孔簡(jiǎn)支箱梁；墩頂簡(jiǎn)支梁不同類(lèi)型搭配（如24m箱梁分別與32m箱梁、32m鋼梁搭配）設(shè)置不同的縱向預(yù)偏心；連續(xù)梁（如3x32m連續(xù)梁）中墩的墩身尺寸會(huì)大于簡(jiǎn)支梁（如32m+32m簡(jiǎn)支梁）等，這些都從不同方面反映了梁型對(duì)墩身尺寸的影響。頂帽尺寸的擬定,與所采用的梁型有關(guān)。應(yīng)考慮頂梁時(shí)千斤頂放置空間需要、維修養(yǎng)護(hù)需要及施工時(shí)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(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。此外，不同的梁部，橋墩檢查設(shè)備等附屬工程的設(shè)置也會(huì)有所不同。（6） 地質(zhì)條件地質(zhì)條件對(duì)墩身尺寸的影響主要反映在對(duì)基礎(chǔ)剛度的影響上?；A(chǔ)剛度發(fā)生變化時(shí)，為滿(mǎn)足墩頂縱向剛度要求，墩身剛度需相應(yīng)調(diào)整：在相同墩頂縱向剛度條件下,基礎(chǔ)剛度越大，墩身就可設(shè)計(jì)得較柔些；基礎(chǔ)剛度越小，墩身則必須剛勁些；其他條件均相同時(shí)，擴(kuò)大基礎(chǔ)的墩身尺寸可設(shè)計(jì)得較樁基礎(chǔ)的小。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。表2為包神線(xiàn)（時(shí)速200km雙線(xiàn)）48m+48m簡(jiǎn)支箱梁65m高圓端形空心墩墩身與基礎(chǔ)不同剛度比值時(shí)的下部結(jié)構(gòu)圬工數(shù)量比較。由表2可見(jiàn)，在墩頂縱向剛度相近的條件下，墩身與基礎(chǔ)的剛度比為40:60時(shí)下部結(jié)構(gòu)圬工量最省。墩身剛度過(guò)小，必須加大樁間距以獲取較大的基礎(chǔ)剛度，造成承臺(tái)自重、襟邊土重的增加，單樁承載力的增大，從而影響到樁長(zhǎng)或樁基根數(shù)；墩身剛度過(guò)大，較大的墩身尺寸、質(zhì)量、相對(duì)較小的樁間距同樣會(huì)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(fèi)。上述結(jié)論是在特定的地質(zhì)條件下得出的。若地質(zhì)條件變化，基礎(chǔ)剛度相應(yīng)變化，需調(diào)整墩身與基礎(chǔ)的剛度比才能使下部結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)，墩身尺寸會(huì)因此變化。線(xiàn)路條件橋墩所處的線(xiàn)路單雙線(xiàn)、直曲線(xiàn)條件，也會(huì)影響墩身尺寸選擇。一般說(shuō)來(lái),雙線(xiàn)圓端形空心墩的縱橫向尺寸均較單線(xiàn)大，局部穩(wěn)定性差些,但截面拉應(yīng)力、墩頂位移較單線(xiàn)墩??；雙線(xiàn)橋的直曲線(xiàn)墩可采用相同的尺寸，單線(xiàn)橋曲線(xiàn)墩的尺寸會(huì)比直線(xiàn)墩大，并可視具體情況設(shè)置橫向預(yù)偏心。4圓端形空心墩設(shè)計(jì)中的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題墩身尺寸對(duì)縱向剛度的影響規(guī)律橋墩越高，墩頂縱向剛度越難滿(mǎn)足規(guī)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(chǔ)的合理剛度比，明確了墩本身需要達(dá)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、墩身內(nèi)外坡率n夕卜、n內(nèi)這些主要尺寸上進(jìn)行研究比較以期用最小的圬工獲取最大的剛度。圖2為包神線(xiàn)(時(shí)速200km雙線(xiàn))48m+48m簡(jiǎn)支箱梁65m高圓端形空心墩對(duì)上述尺寸所做的墩身圬工與剛度相關(guān)曲線(xiàn)的比較圖。由圖2可見(jiàn)，在墩身剛度＞1500kN/cmx雙線(xiàn)范圍內(nèi)，當(dāng)墩身圬工相同時(shí)，對(duì)墩身剛度的貢獻(xiàn)由大到小排序?yàn)椋憾疹i直徑D＞墩身外坡n外卜〉墩身直段日＞墩身內(nèi)坡n內(nèi)〉墩頸壁厚t。據(jù)此,可有針對(duì)性地調(diào)整墩身尺寸，使墩身設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。單線(xiàn)曲線(xiàn)墩的橫向預(yù)偏心問(wèn)題與單線(xiàn)直線(xiàn)墩相比，曲線(xiàn)墩需承受來(lái)自橋面活載的離心力，當(dāng)墩身截面較小時(shí)，離心力將額外產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。為改善這種不利的受力狀態(tài)，受截面應(yīng)力、偏心控制的圓端形實(shí)體墩大多設(shè)置了橫向預(yù)偏心，利用恒載橫向偏心力矩來(lái)抵消一部分曲線(xiàn)離心力矩，這已為許多工程實(shí)例所應(yīng)用。單線(xiàn)曲線(xiàn)圓端形空心墩則有所不同，在滿(mǎn)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(yīng)力已大幅減小，多處于混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力范圍之內(nèi)或少許超限；另一方面，曲線(xiàn)橫向位移計(jì)算不考慮恒載橫向偏心力矩影響，活載橫向偏心力矩產(chǎn)生的橫向位移在總位移中所占份額又較小，使得橫向預(yù)偏心的設(shè)置對(duì)減小墩頂橫向位移貢獻(xiàn)甚微。故單線(xiàn)曲線(xiàn)墩是否設(shè)置橫向預(yù)偏心，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真對(duì)待。線(xiàn)路條件對(duì)截面尺寸的影響不同線(xiàn)路條件下，圓端形空心墩的截面尺寸選用一般遵循以下規(guī)律：雙線(xiàn)空心墩及較大跨度伽64m)的單線(xiàn)空心墩，墩身尺寸受墩身縱向剛度控制，直曲線(xiàn)墩可采用相同的空心圓端形截面尺寸；而常用跨度單線(xiàn)空心墩,除可能受墩身縱向剛度或縱向位移控制外，曲線(xiàn)墩還可能受墩身橫向位移控制，故曲線(xiàn)上多采用空心圓端形截面，直線(xiàn)上多采用空心圓形截面。5結(jié)語(yǔ)綜上所述，圓端形空心墩的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)孔跨、墩高、地質(zhì)條件、墩身剛度的影響規(guī)律等因素,初步確定墩身與基礎(chǔ)的合理剛度比及墩身尺寸；再結(jié)合線(xiàn)路條件、梁部類(lèi)型、設(shè)計(jì)速度等情況,對(duì)所擬橋墩進(jìn)行風(fēng)振、頻率、溫度應(yīng)力、位移、剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等計(jì)算；各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求后，綜合考慮下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、附屬工程的布置形式、維修養(yǎng)護(hù)等需要，對(duì)墩身