山區(qū)高速鐵路超高墩大跨橋梁的墩型設(shè)計研究

陳宇 李中輝

摘要 為研究山區(qū)高速鐵路超高墩大跨橋梁的墩型設(shè)計，文章以某山區(qū)主跨144 m高速鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋為依托工程，采用Midas/civil有限元軟件，建立三維數(shù)值模型，揭示不同墩型對結(jié)構(gòu)的靜力特性、動力特性及工程經(jīng)濟性的影響，為后續(xù)山區(qū)大跨高墩橋梁墩型的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞 山區(qū);高速鐵路;高墩;墩型設(shè)計

中圖分類號 U442.5 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0141-03

0 引言

近年來高速鐵路迅速發(fā)展，由于山區(qū)地形、環(huán)境復(fù)雜，鐵路站站位選址困難以及線路線形要求高等因素，導(dǎo)致山區(qū)的高速鐵路橋梁多為高墩大跨橋梁。特別是隨著橋梁高度的增加，橋墩的工程造價占比迅速提高，在滿足結(jié)構(gòu)靜力、動力要求下尋找合適的墩型變得日益迫切。

鐵路超高墩常用墩型有板式墩[1]、A形墩[2，3]及雙柱墩[4]（見圖1），該文針對上述三種墩型從靜力、動力及工程經(jīng)濟性等方面進行綜合比選。

1 工程概況

以某山區(qū)高速鐵路主跨144 m連續(xù)剛構(gòu)為分析對象，梁體采用單箱單室變高度截面，最大剛構(gòu)墩高159 m，最小剛構(gòu)墩高111.5 m，平均墩高141.25 m。

經(jīng)車橋耦合檢算，橋墩橫向自振周期為2.0 s左右時橋梁各項車橋指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，故墩型比選時，選取該橫向自振周期為主要控制指標(biāo)，調(diào)整不同墩型的設(shè)計參數(shù)使各個墩型對應(yīng)的橫橋向剛度盡量接近，便于后續(xù)的墩型比較。

2 有限元模型

針對三種墩型，分別采用Midas/civil軟件進行空間有限元建模，如圖2所示。主梁及橋墩均采用空間梁單元模擬，通過剛臂模擬剛構(gòu)墩與主梁之間的連接，通過彈性連接模擬邊支座，主墩底部樁基約束通過節(jié)點彈性支承模擬。主梁采用C55混凝土，橋墩采用C45混凝土。

分別調(diào)整三種墩型的主要設(shè)計參數(shù)，使結(jié)構(gòu)橫向一階自振周期盡可能接近于2.0 s左右，得到結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3 方案比選

針對上述三種墩型，擬從靜力計算情況、動力計算情況以及工程經(jīng)濟性三個方面進行綜合比選。

3.1 靜力計算對比

由于高速鐵路設(shè)計時速為350 km/h，設(shè)計速度快，對結(jié)構(gòu)剛度要求較高。該文結(jié)合《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》選取自振周期、活載作用下的跨中豎向位移、梁體風(fēng)荷載作用下的跨中橫向位移、墩頂殘余變形和梁端活載轉(zhuǎn)角等剛度指標(biāo)作為靜力計算對比的主要依據(jù)，三種墩型主要計算結(jié)果如表2所示。

由計算結(jié)果可知，三種墩型的梁端轉(zhuǎn)角、跨中豎向位移均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，三種方案均具備可行性。其中，A型墩橫向周期最小，但由于壓縮墩底外側(cè)橫向距離以減小橫向自振周期至2.0 s，未能充分發(fā)揮下側(cè)三角形框架的結(jié)構(gòu)剛度，導(dǎo)致本設(shè)計A型墩橫橋向位移最大;雙柱墩橫向自振周期最大，但為了使結(jié)構(gòu)橫向周期貼近目標(biāo)值，雙柱墩橫向尺寸從墩頂至墩底均較大，結(jié)構(gòu)線剛度亦最大;板式墩橫向自振周期及線剛度介于A型墩與雙柱墩之間，同時由于順橋向墩壁整體性較好，板式墩縱向剛度亦最大。

從構(gòu)件受力特性分析：板式墩在主要工況下受力均較為簡單，墩身整體受力接近于單向的壓彎受力構(gòu)件，對基礎(chǔ)要求較低;A型墩不僅分岔區(qū)受力復(fù)雜，其分叉支腿始終存在較大的水平分力，并將此水平力傳遞至基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)形式和地質(zhì)條件要求較高[5];雙柱墩受力亦較為明確，墩柱傳遞豎向力為主，系梁穩(wěn)定墩柱以減小其計算長度。

3.2 動力計算對比

為比選不同墩型對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，選擇橋位處的同一地震反應(yīng)譜對結(jié)構(gòu)進行動力計算，考慮橋位處為六度區(qū)，選取設(shè)計反應(yīng)譜檢算墩身受力。反應(yīng)譜設(shè)計參數(shù)詳見表3。

由于不同墩型，橋墩尺寸差異較大導(dǎo)致承載力亦差異較大，若比較墩身內(nèi)力并不合適，為綜合考慮地震作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)承載力，該文檢算主墩配筋方式相同時的墩身應(yīng)力情況，計算結(jié)果見表4所示。

根據(jù)計算結(jié)果可知，順橋向地震作用下A型墩墩頂混凝土壓應(yīng)力、墩頂鋼筋拉應(yīng)力以及墩底鋼筋拉應(yīng)力最大，板式墩墩頂混凝土壓應(yīng)力、鋼筋拉應(yīng)力及墩底鋼筋拉應(yīng)力次之，雙柱墩墩底除混凝土壓應(yīng)力偏大外其余部分受力均優(yōu)于另外兩種墩型;在橫橋向地震作用下，A型墩與板式墩墩頂受力情況接近，板式墩墩底略優(yōu)于A型墩，雙柱墩墩頂、墩底受力情況均比A型墩及板式墩差。

從橋墩地震作用下的整體受力來看，雙柱墩在順橋向及橫橋向地震作用下，墩頂、墩底等控制位置的應(yīng)力情況均較為接近，另外兩種墩型均存在部分控制位置的應(yīng)力遠大于另一位置，且雙柱墩墩柱系梁可做延性設(shè)計當(dāng)作耗能構(gòu)件，故雙柱墩在地震高烈度區(qū)優(yōu)勢明顯;對于A型墩和板式墩，由于A型墩墩身重心遠高于板式墩墩身中心，故A型墩的抗震性能略差于板式墩。

3.3 工程經(jīng)濟性比選

根據(jù)上述三個墩型的設(shè)計參數(shù)，統(tǒng)計出剛構(gòu)主墩的主要構(gòu)造參數(shù)及墩身數(shù)量如表5所示，據(jù)表可知A型墩混凝土方量最少、雙柱墩次之，板式墩最高。

但由于A型墩分叉區(qū)及雙柱墩柱身均橫向傾斜，混凝土澆筑時穩(wěn)定性差，需要設(shè)置勁性骨架等輔助措施[6]，相關(guān)施工工藝也與斜拉橋橋塔施工工藝一致，故A型墩分叉區(qū)和雙柱墩柱身的混凝土指標(biāo)均高于板式墩指標(biāo)，由于雙柱墩混凝土方量與板式墩接近，故其工程經(jīng)濟性在三個方案中最差。綜合考慮勁性骨架、橫向預(yù)應(yīng)力及施工工藝的影響后，四個A型墩墩身造價合計約18 400萬元，四個板式墩墩身造價約12 900萬元。

由此可見，對于普通雙線梁，板式墩在三種墩型中墩身造價最低，且板式墩墩底最大橫向外距最小，更有利于控制基礎(chǔ)規(guī)模，在涉水區(qū)域更能進一步控制基礎(chǔ)造價。

對于寬幅的梁部，柱身間距可直接設(shè)計至合理值，無須通過設(shè)置橫坡加大墩底柱間距及墩柱尺寸，此時雙柱墩無須設(shè)置勁性骨架，施工措施較少，其經(jīng)濟性與板式墩接近。

4 結(jié)論

設(shè)計合理的板式墩、A型墩和雙柱墩均可適用于高速鐵路高墩設(shè)計，經(jīng)過上述對比分析可得如下幾個結(jié)論：

（1）板式墩墩身整體性好，構(gòu)件受力狀態(tài)簡單，對基礎(chǔ)要求較低，結(jié)構(gòu)剛度及地震反應(yīng)介于A型墩與板式墩之間，雖然圬工量較大，但是施工方式較為簡單，施工措施費較低，工程經(jīng)濟性好。（2）A型墩墩身受力較為復(fù)雜，對基礎(chǔ)及地質(zhì)要求較高，抗震性能稍差，施工方式較為復(fù)雜，工程經(jīng)濟性差，但是景觀效果好，若基礎(chǔ)橫向不受控，可通過拉大支腿間距迅速提高結(jié)構(gòu)橫向剛度。（3）雙柱墩構(gòu)件受力較為簡單，適用于高烈度地區(qū)，其經(jīng)濟性受控于墩頂墩柱中心距，若墩柱中心距較小，墩柱兩側(cè)均需向外側(cè)放坡以拉大墩底橫向間距增大橫向剛度，施工措施費較高，若墩柱中心距較大，單個柱身可橫向?qū)ΨQ設(shè)計，自身穩(wěn)定性好，可減去不必要的施工措施費。

參考文獻

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