雙線鐵路橋梁橋墩結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟性分析

李光鳳

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430063)

鐵路橋梁具有建設(shè)規(guī)模大、里程長、沿線地質(zhì)條件變化較大等特點，且常規(guī)結(jié)構(gòu)所占比例較高，以標準跨徑簡支結(jié)構(gòu)為主。根據(jù)武廣高速鐵路橋梁的建設(shè)經(jīng)驗，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，對鐵路橋梁的橋墩形式進行比較，并在樁基合理布置的基礎(chǔ)上，對橋墩經(jīng)濟性(包括承臺及基礎(chǔ)，下同)進行分析具有實際工程意義。

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

1 橋墩形式比較

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

考慮鐵路橋梁對下部結(jié)構(gòu)縱向剛度要求，橋墩一般采用實體墩和空心墩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單、施工方便等優(yōu)點，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。對于雙線鐵路橋梁，實體墩一般采用圓端形橋墩。實體墩和空心墩的綜合比較見表1。

表1 實體墩和空心墩的綜合比較

在墩身設(shè)計計算方面，實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。相對于實體墩，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)合項目特點，本工程橋墩形式可采用以下2種：通橋(2012)4104橋墩(簡稱“通橋橋墩”)和空心墩。其中，通橋橋墩為實體墩。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?。在順橋向厚度方面，通橋橋墩的厚度要小于空心墩?/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，通橋橋墩的縱向剛度小于空心墩。墩高14 m以內(nèi)時，通橋橋墩墩身圬工量小于空心墩；墩高大于14 m時，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

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)對橋墩的基礎(chǔ)進行設(shè)計，以滿足橋墩下部結(jié)構(gòu)對縱向剛度的要求。

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，樁徑優(yōu)先采用1 m和1.25 m 2種規(guī)格。當樁長超過50 m時，考慮采用1.25 m或以上樁徑。樁基的布置力求經(jīng)濟合理。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)計原則

樁基礎(chǔ)的剛度計算采用“m”法?！癿”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為計算點距地面的垂直深度，m。

為客觀分析橋墩的經(jīng)濟性，橋墩基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)采用統(tǒng)一的評判標準，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)計限值。

表2 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計的主要限值

注：L為相鄰中較小跨的跨度，m。

2.3 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計的主要結(jié)果

橋墩基礎(chǔ)設(shè)計主要包括橋墩基礎(chǔ)平面布置和樁長計算。結(jié)合本工程地質(zhì)條件，考慮地質(zhì)條件對橋墩基礎(chǔ)設(shè)計的影響，取m=2 000 kN/m4和m=5 000 kN/m4，分別進行橋墩基礎(chǔ)的設(shè)計。圖5給出了2種m取值時，橋墩基礎(chǔ)(包括承臺)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，2種橋墩的基礎(chǔ)圬工量差異較?。浑S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)濟性分析

3.1 橋墩施工的經(jīng)濟性分析

對于上述2種橋墩形式， 根據(jù)墩高不同，實體墩采用定制的鋼模板一次立?；蚍侄瘟⒛５姆绞綕仓丈砘炷痢？招亩談t均采用翻模施工的方法，分段支立、澆筑。

相對于實體墩而言，空心墩施工時需設(shè)置內(nèi)模，相應(yīng)增加了鋼模的用量和施工費用。同時，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較大，需投入更多的人力和機具設(shè)備?？紤]到空心墩工期相對較長，施工中的人力成本和機具設(shè)備的周轉(zhuǎn)費用也進一步增加。

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更高。

3.2 橋墩經(jīng)濟性分析的經(jīng)濟指標

橋墩經(jīng)濟性分析時，為簡化分析，對橋墩、承臺和樁基礎(chǔ)的混凝土方量均以綜合單價作為計算依據(jù)。各部分混凝土的綜合單價根據(jù)以往類似工程的設(shè)計經(jīng)驗確定。表3列出了橋墩經(jīng)濟性分析的主要經(jīng)濟指標。

表3 橋墩經(jīng)濟性分析的主要經(jīng)濟指標

3.3 橋墩經(jīng)濟性分析的主要結(jié)果

在墩身和橋墩基礎(chǔ)計算分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)各部分混凝土的主要經(jīng)濟指標，對橋墩(含基礎(chǔ))的總造價進行計算。圖6分別給出了2種m取值時，橋墩及基礎(chǔ)總造價與墩高的關(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，通橋(2012)4104橋墩經(jīng)濟性優(yōu)于空心墩；墩高大于20 m時，空心墩經(jīng)濟性更優(yōu)。

圖6 橋墩總造價與墩高的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

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高于實體橋墩，只有空心墩墩身及基礎(chǔ)圬工量與通橋橋墩差值達到一定程度時，空心墩總造價才會低于通橋橋墩。

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

3) 墩高20 m以內(nèi)時，通橋(2012)4104橋墩經(jīng)濟性優(yōu)于空心墩；墩高大于20 m時，空心墩經(jīng)濟性更優(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)計規(guī)范：TB 10002-2017[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

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

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

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