考虑地基影响高桥墩稳定及水平位移实用计算方法

墩顶位移进行了分析。针对给出的墩身形函数，研究了地基弹性约束条件、无墩顶约束

等不同条件下墩顶水平位移的计算公式，并在该基础上，给出了刚性基础有墩顶约束时,

计算高墩墩顶水平位移的实用公式。

本文研究成果不但可在桥梁设计阶段，为确定合理桥高范围、桥墩形式以及受力状

态提供技术支持，还可为下一步规范有关条款的修订工作提供依据。

关键词：高墩；稳定性；计算长度；墩顶水平位移；桥墩类型

II

万方数据

Abstract

Thisdissertationisinthebackgroundofthesub-topicPierFormComparisonand

StabilityResearchofMountionousBridges,whichisoneoftheR&Dprojectstakenby

CCCGTheKeyTechnologiesofResource-savingResearchinMountainousHighway

Construction.Thehighpierstabilityanalysisandhorizontaldisplacementtheoryismainly

usedtoseekthesensitivityparametersandtheirregularpatternofimpactonhighpierstability.

Takingtheinfluenceoffoundationonthehighpierstabilityintoconsideration,bythemeans

ofhorizontaldisplacementcalculationmethod,andrelyingonthedatacollectedbyinner

modeltestandmonitoringattheprojectsite,themethodofthestabilityanalysis,pier

calculatedlengthandhorizontaldisplacementcalculationsisverified.

Basedonthedomesticandforeignpresdentsituationanddevelopmentofstability

analysistheoryandhorizontaldisplacementcalculationmethodonbridges,thecalculationof

stabilitycalculationandhorizontaldisplacementsinthehighpierbridgehasimportant

significance.Especiallythelengthfactorhasgreatimpactonincreasingeccentricity

coefficient.ComparedwithBritishandAmericannorms,theexistingbridgespecificationin

Chinaisnotonlysketchy,andthevalueofthesafetyfactorisnotincluded.Designersoften

usetheirexperiencetocalculate,sothatitiseasilytoberadicalorconservativeindesigning

highpier;whilepiertophorizontaldisplacementcalculationshavebigdifferencesamongthe

variouscalculationmethods.

Thispaperreviewsthedevelopmentandresearchstatustofthepierstability,horizontal

displacementandthepiertypeonselectedbridges,andsortoutdifferenttypesandcable

systembridgecombedon12kindsofpylonpierbridges.Investigationofthepractical

applicationofhighbridgepier6highwaycompletedinrecentyearsinourcountryistaken,

andbasedonastatisticalanalysisof817samplesofhighpier213bridges,summarizethe

suitableheightintervalof4commonpiertype.

Inthispaper,energymethodisusedtoderivethesolvingtheequationofhighpier

constructionstageandoperationstageofthepiertopweightconcentratedverticalloadsof

criticalbucklingload.Throughfourtypesofpiertypeindifferentparameters,differentheight

ofpierundertheconditionsofthestabilityanalysis,thepieroneorderstabilitycoefficientin

50to60metersrangedecreasesquickly,theheightbetween60tand90metersisinflatregion.

Thepierundertheactionofaconcentratedload,thesameheightdistributionunderdifferent

in

万方数据

pierstabilitycoefficientsizeisdispersing;thin-walledhollowpierstabilitycoefficientis

higherthanotherthreekindsofpiertype,especiallybetweenthe60and90meters.Basedon

theproject,twokindsofstabilityanalysisistakenandresultsshowesthatconsideringtwo

kindsofnonlineareffects,thecalculationresultsarelowerthanthevalues,thelinearstability

analysisresultisnotconservative,theultimatebearingcapacityislimit;nonlinearstability

analysisofthesteadylinenumberisgreaterthan1.58,whichmeetsthesafetyrequirements;

andthenumberofbeamsindoublecolumnpierin-planestabilityismonotoneincreasing.

Thispaperstudiesthatunderdifferentboundaryconditions,calculatedlengthofhigh

piermethodsareputforwardunderdifferentconditionsofhighpiercalculationlength

coefficient.Consideringthegeometricnonlinearpier,pierunderdifferentboundary

conditionsarederivedfirstordercalculationequationfordestabilizationcriticalforce,using

Eulerfbrmulacalculationlengthcoefficient.Undertheelasticfoundation,pierpierconditions

calculatedlengthandstandarddeviationis0.65%;underthebridgeintoarigidfoundation

pierscalculatedlengthandstandarddeviationislessthan1%;elasticfoundationpierbridge

statecalculationlengthandstandardlength,deviationislessthan0.5%,andthisformulais

verified.

Theshapefunctionisgiveninthispaper,amethodtocalculatethehorizontal

displacementofhighpierissetup.Basedontheprincipleofpotentialenergy,the

displacementofpiertopareanalyzed.Differentboundaryconditionsofhighpier

deformation^methodtocalculatethehorizontaldisplacementofhighpierisalsogiven.

Accordingtothegivendifferentmechanicalmodelsofboundaryconditionsofthepiershape,

fThemethodisderivedforelasticconstraintconditions,noformulaforcalculatingthepier

topconstraintsundervariousconditionssuchasthehorizontaldisplacementofthetopofpier.

Andonthebasisofrigidfoundationspracticalformulaforcalculatingthehorizontal

displacementofhighpierisproposedforaconstraintpieronthetop.

Theresearchachievementsnotonlyprovidetechnicalsupporttodeterminethe

reasonablerange,highpierbridgeformandstressstateinthestageofbridgedesigning,but

alsoprovidethebasisfortherevisionoftherelevantsectionsforspecification.

Keywords:Highpier;Stability;Calculationlengthofthepiertophorizontaldisplacement;

Piertype

4

万方数据

目录

第一章绪论..............................................................1

1.1概述..............................................................1

1.2高墩稳定性研究现状................................................2

1.3计算长度系数研究现状..............................................3

1.4墩顶水平位移研究现状..............................................6

1.5墩型比选研究情况..................................................7

1.6本文的主要研究内容...............................................10

第二章常见桥墩结构类型及其应用.........................................11

2.1概述.............................................................11

2.2实心桥墩.........................................................12

2.3空心桥墩.........................................................14

2.4缆索体系桥梁桥塔.................................................17

2.5混凝土劲性骨架超高墩.............................................19

2.6高速公路高墩应用情况.............................................21

2.7小结.............................................................25

第三章高墩稳定及水平位移计算...........................................26

3.1稳定问题.........................................................26

3.1.1静力平衡法.................................................27

3.1.2能量法.....................................................28

3.1.3有限元法...................................................29

3.1.4动力法.....................................................32

3.1.5初始缺陷法.................................................32

3.2计算长度问题.....................................................33

3.2.1计算长度系数的应用.........................................33

3.2.2墩顶刚度...................................................35

3.2.3桩基柔度...................................................36

3.3墩顶水平位移问题.................................................36

3.4小结.............................................................38

5

万方数据

第四章高墩稳定分析方法研究.............................................39

4.1高墩稳定分析方法.................................................39

4.1.1施工阶段自重作用下裸墩的稳定分析...........................39

4.1.2运营阶段墩顶集中力作用下桥墩稳定性分析.....................41

4.2高墩计算长度系数分析方法研究.....................................46

4.2.1施工阶段弹性地基桥墩的计算长度分析.........................46

4.2.2运营阶段刚性地基桥墩的计算长度分析.........................49

4.2.3运营阶段弹性地基桥墩的计算长度分析.........................53

4.3施工阶段自重作用下裸墩稳定性分析实例.............................56

4.3.1圆柱式等截面实心墩.........................................56

4.3.2矩形等截面实心墩...........................................57

4.3.3矩形变截面实心墩...........................................58

4.3.4等截面空心薄壁墩...........................................59

4.4运营阶段墩顶集中力作用下桥墩稳定性分析实例.......................61

4.4.1圆柱式等截面实心墩.........................................61

4.4.2矩形等截面实心墩...........................................62

4.4.3矩形阶梯式变截面实心墩.....................................63

4.4.4空心薄壁墩.................................................64

4.5高墩桥梁稳定分析实例.............................................65

4.5.1工程概况...................................................65

4.5.2压弯杆件稳定计算原理.......................................65

4.5.3成桥状态屈曲稳定分析.......................................67

4.5.4施工阶段屈曲稳定分析.......................................70

4.5.5考虑双重非线性的高墩稳定分析...............................74

4.5.6横系梁对高墩面内稳定的影响.................................80

4.6小结.............................................................86

第五章墩顶水平位移分析方法研究.........................................88

5.1施工阶段弹性地基桥墩的墩顶水平位移...............................88

5.2运营阶段墩顶位移分析.............................................90

5.3刚性基础桥墩墩顶位移计算公式.....................................96

6

万方数据

5.4墩顶水平位移分析实例.............................................97

5.4.1依托工程...................................................97

5.4.2荷载作用...................................................98

5.4.3墩顶水平力计算.............................................99

5.4.4总制动力计算...............................................99

5.4.5墩台抗推刚度...............................................99

5.4.6支座的抗推刚度计算........................................101

5.4.7温度力的计算..............................................101

5.4.8全桥有限元计算............................................102

5.5小结.............................................................102

第六章依托工程监测及模型试验...........................................103

6.1依托工程概况....................................................103

6.2现场监测........................................................105

6.2.1监测目的、内容及应用分析...................................105

6.2.2现场监测点布置............................................106

6.2.3桥墩应力监测数据处理......................................107

6.2.4现场监测情况..............................................109

6.2.5应力监测结果及分析.........................................111

6.3室内模型试验....................................................114

6.3.1模型试验基本情况...........................................114

6.3.2几何材料参数及相似原理....................................114

6.3.3模型试验方法...............................................116

6.3.4试验现场情况..............................................117

6.3.5试验结果分析...............................................119

6.4小结.............................................................122

第七章结论及展望.......................................................123

参考文献................................................................125

攻读学位期间取得的学术成果..............................................131

致谢..................................................................133

VII

万方数据

长安大学博士学位论文

第一章绪论

1.1概述

随着社会经济发展，公路交通逐渐“上山下海”，工程项目面对愈加复杂的地形和

地质条件。同时，在环境友好、资源节约，科学发展以及多元化投资的大背景下，投资

额、施工工期和施工标准化等要求也随之加强，不断影响着桥梁结构的发展。具体表现

为：一方面，缆索体系桥梁、连续刚构桥等大跨径桥梁不再一味追求跨度、排名，尤其

是连续刚构的设计更加科学，不再轻易突破其合理跨径E;另一方面，装配式桥梁的适

用范围逐步扩大，替代了一部分小跨径连续刚构桥型。在此过程中，高桥墩的科研、设

计以及施工经验的不断发展成为了工程发展的有利支撑。

墩高是指桥墩顶端到基础顶面的长度，通常，高墩为大于40米的桥墩⑵。为了结构

安全和施工方便，建国初期建成的混凝土高桥墩大多为重力式实体桥墩。随着桥梁建设

事业的发展，桥墩修建的越来越高，当其大于40米时，若要满足受力要求，桥墩的尺

寸会急剧增大，导致工量太大，而不经济⑶。上世纪六十年代，国内陆续建成了一批空

心桥墩。空心墩对桥墩的轻型化起到了很大作用，相关科研院所同步进行的理论分析、

桥梁模型实验和实桥测试，均表明空心墩在高墩上有较强的适用性。同时，施工经验和

施工技术的不断改进又促进了空心墩的应用和推广，其优越性逐渐显现。七十年代后期

以前，碎高桥墩的壁厚大多为50至80厘米，在墩壁内采取增加构造类钢筋和设置横、

纵隔板的措施。之后，墩身大多采用壁厚比较薄的钢筋碎材料，通过设置里外两层钢筋，

不但方便了施工，而且省功省料，还降低了工程造价。上世纪七十年代建成的最高的空

心桥墩是襄渝线紫阳县汉江大桥3#桥墩，高度达72米。上世纪八十年代建成的陕西罕

井到东坡矿铁路的白水河1#桥，桥墩高度达到了75米。上世纪九十年代建成的侯月铁

路海子沟大桥，桥墩高度达到81米⑶。目前，国内桥墩最高已达180余米。

上世纪九十年代，桥梁建设逐渐向西部、海湾和山区发展，高墩迅速增多。截至目

前，对大跨径桥梁高墩问题的研究较多，而对于数量更加庞大、更加常见、更为经济实

用的预制装配式梁桥的高墩研究相对较少。但无论是缆索体系桥梁、连续刚构桥梁还是

装配式桥梁，在桥墩（塔）达到一定高度后，稳定性问题都将突出，适用范围都将受到

限制。因此，在大跨径桥梁稳定性研究的基础上，分析高桥墩稳定性、计算长度和墩顶

水平位移，对选择合理的桥梁类型、桥高范围、桥墩形式、保证良好的受力状态、方便

1

万方数据

第一章绪论

施工以及节约建设投资，都具有重要的现实意义和工程应用价值。

1.2高墩稳定性研究现状

结构稳定问题的研究历史悠久。Eular于十八世纪四十年代就对压杆变形问题进行

了研究，分析了弹性压杆屈曲理论，给出了Eular公式；Eular发现，当轴力增大到一定

值时，杆件能够保持直线平衡。然而，如果在这一点上，有一个小的外力干扰，它会使

它产生轻微的弯曲变形，并且如果撤销这个力时，杆件将恢复原状；但是，当轴压力大

到某一值时，由任何附加的外力导致的弯曲变形，在附加的外力撤除之后，弯曲变形依

然会存在，甚至还将会有增加的趋势，这种受力后变形的情况称之为失去稳定，也可以

说杆件的屈曲⑸。十九世纪八十年代末，Engesser.Fr提出拿切线模量与代替Eular公式

中的弹性模量，他认为在临界荷载的作用下杆件开始弯曲时，杆件的凹侧应力按照切线

模量不断增大，而凸侧应力则按照弹性模量不断卸载，即有效模量是弹性模量和切线模

量的函数⑹。十九世纪九十年代初，Bryan.QH分析了矩形板在简支边界条件下单方向均

匀受压时的稳定问题;MicheLJ.H和Prandtl.L同时研究出有关梁体侧倾问题的成果;1895

年，Engesser.Fr在Considere概念的基础上导出了两模量公式。1910年，Karman再次推

导该公式，并进行了大量的试验来验证该理论，所以，两模量理论也可称为

Considere—Engesser—Karman理论，屈曲时的假定小位移是该理论的讨论基础，仅能用

于求解压杆在非弹性屈曲变形时的临界荷载⑺。1947年，Shanley对上面两种理论留存

的问题又进行了分析，将受压杆件屈曲之后的有限度变形考虑进去，并通过试验验证提

出了更新的观点，可用于分析非弹性受压杆件后屈曲的性能。至此，基本解决了薄壁杆

件同时考虑受弯和扭转条件下的屈曲问题。此后，桥梁结构的稳定分析理论不断进步，

特别是有限元法和计算机的发展开拓了更大的领域，不同荷载、边界条件、各异的结构

构造、考虑残余应力以及塑性变形的构件以及考虑弹塑性的复杂的杆件系统的稳定性分

析研究得到发展。

桥梁结构失稳事故的发生反而对桥梁稳定理论的发展起到了促进的作用。1875年

俄罗斯KeB51a桥因为上弦杆失稳，导致全桥发生破坏。加拿大Quebec桥于1907年在施

工阶段,因下弦杆翘曲导致事故。1925年苏联Mo3blp桥也是因压杆失稳导致破坏。1970

年澳大利亚WestCate桥，拼设钢箱梁时，由于跨中处上翼板屈曲，引起整跨跨塌网。

近代桥梁工程中由于大量应用轻型的薄壁式结构，又给稳定问题提出了不少新问

2

万方数据

长安大学博士学位论文

题。H.wagner、B.?B〃acoB对轻薄壁厚杆件的弯扭稳定理论，证明了该杆件的临界荷载

力远低于Eular理论的临界力，因无法采用分支点的理论来解读，所以引入极值点失稳

和跃动现象理论。跟随工程技术进步，稳定和非线性两种理论的关系逐渐密切，想要接

近、探求、揭开复杂的稳定理论的实质，需要对结构的材料非线性和几何非线性关系进

行深入的研究。

如今，随着桥梁体量的增大、跨度变长、墩塔变高、箱梁变薄和高强材料使用增多，

结构的整体刚度或局部刚度随之降低退化，局部失稳的发生又会导致整个结构体系的

失稳，所以尽管高强材料不断应用，稳定问题反而变得突出，失稳现象仍然屡有发生。

1.3计算长度系数研究现状

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004,以下简称

《04桥规》），桥墩计算长度系数〃的取值为：两端均固定时，〃=0.5；一端固定、另一

端为不移动的较时，〃=0.7；两端均为不移动的钱时，〃=1；一端固定、一端自由时，

〃=2⑼。

刘睿在《变截面墩柱计算长度理论研究》一文中指出：对于墩顶约束，现行规范对

墩顶的约束只概括成4种简单的情况，而桥梁从施工到运营，桥型从简支到刚构，其墩

顶约束刚度取值范围几乎涵盖了从0〜+8的全部取值；由于边界条件情况复杂，上述4

种情况难以全面概括：如墩顶有一定刚度的约束；如墩底埋置于软弱地基土层时，墩

顶和墩底的边界条件难以确定等。而对于计算长度计算式中各参数的取值，如桥墩截

面惯性矩、墩底约束、墩顶约束等未给出更完善的解释；桩身与地基土的相互作用非常

复杂，现行规范并未明确指出各种桩于土层的约束情况，而对于规范中所提出的四种

边界条件也未能涵盖地基土对桩身的影响，因此构件实际长度的选择的准确性难免降

低1⑼。

齐宏学、高小妮指出在桥梁结构进行计算分析时，计算高桥墩桥梁的墩顶位移和高

桥墩的承载力等工况时，都要求解计算长度6而关于/o的计算方法，在桥梁工程界，

争议延续至今。/o在几何上的意义为：杆件轴心受压导致失稳后，挠曲线上相邻两个反

弯点（M=0）之间的长度；物理意义为：轴心受压杆件在各种支撑条件下，它的临界力

跟一个轴心受压杆件（上下两端均为钱支）的临界力大小相等时，该轴心受压杆件（上

下两端均为钱支）的长度；在计算应用时，引入/o系数，运用公式/（）="/来计算，公式

中，/为杆件两个支点之间的长度。文献主要研究了装配式梁桥高桥墩的/（）系数，通过

3

万方数据

第一章绪论

分析得出：①〃随桥墩刚度增大而增大，两者呈正比。桥墩刚度较大时，〃接近于2,

此时构件的长细比在50左右；桥墩刚度较小时，〃接近于1。因此，在考虑墩顶水平弹

性支撑情况下，对于前者，可以选用上端自由、下端固结的计算模式；对于后者，可以

选用上、下两端均为锐接的计算模式。②对于多跨一联的装配式梁桥，当为3跨时，墩

柱的〃最大，且其值不会超过2；当为2跨时，其值最小；当多于3跨时，跨数越多则

〃越小，且这种规律随着墩高的增加越来越明显。③影响〃的因素较多，范围也大，这

与影响结构稳定的参数较多有关，他们对〃都会产生一定的影响。如果同一座桥中采用

了很多类型的桥墩时，〃的变化会更大口”。

文献【⑵研究了计算长度系数和桥墩横断面之间的关系，得到：如果桥墩刚度较大，

可看作上端较接、下端固结；如果桥墩刚度较小，可采用下端固结的悬臂梁作为分析模

型，文献中未模拟支座刚度，所得到的计算长度系数比实际值要小。

文献”刃在小挠度理论的基础上，推导了受压杆件的通用稳定特征方程，然后通过对

方程试算，求得计算长度；在推导方程时，忽略了压杆剪切变形和自重的影响，对于特

柔或特高墩，这样的处理可能产生一定的误差；虽然现行《04桥规》对压弯杆件的强度

验算考虑了偏心距增大系数，但对于特柔和特高墩的强度验算可能会偏危险，还应进

一步研究其几何非线性的影响。

文献［可⑸研究了桥梁在施工以及运营时的稳定性，并提出了简化适用公式；研究

时，把桥墩看作悬臂梁，墩底固结，如在黄土地区经常见到的桩基础的桥墩则不适用。

文献।网利用能量法，把弹性地基的变位效应与弹簧进行等效，对桥墩自重荷载作用

下的稳定性进行了非常详细的分析，推导了公式，并且跟一般桥墩（不计算弹性地基

的变形效应）的稳定性进行了对比，得出了结论。因仅对桥墩下部边界条件进行了等效

模拟，适用于桥墩顶端自由的情况。

文献〔⑺通过将墩顶支座模拟为水平位移以及转角位移的约束，不考虑压杆自重影

响，假定压杆轴心受压的理想情况，给出了临界荷载的计算公式。

中交公路规划设计院的袁伦一整理比较了中、美、英三国规范的计算长度规定〔⑹，

表明：国内和国外标准对桥墩计算（有效）长度/o的规定较为相近。有效长度，就是将

不同支承边界条件下的杆件或墩柱的长度，等效为非变截面、上下两端是不能移动的

钱支（两个链杆）的杆件的长度。在预应力碎和钢筋碎结构中，计算长度用来查取墩柱

的稳定系数8以及用来计算偏心距的放大系数〃。我国的《04桥规》、美国的AASHT014

版规范和英国的BS5400规范中有关计算长度/o的规定见表l.lo

4

万方数据

长安大学博士学位论文

表1.1中国、美国、英国规范桥墩计算长度系数对照

桥墩的边界条件计算长度系数M

序号

中国美国英国

顶端底端

JTGD64AASHTOBS5400

1固结固结0.50.65/0.500.7

2较接固结0.70.8/0.70.85

3钱接较接11/11

4橡胶支座固结--1.3

5较接，但钱的支座可移动固结--1.4

6固结但可移动固结-1.2/11.5

7较接但可移动固结22.1/22.3

8固结但可移动较接-2/2-

附注1:美国规范中，分母是理论值，分子是理论近似值，也是偏保守采用值。

从上表看出，我国规范规定数值为理论值，美国与英国规范则从安全考虑口9][2叱

取值较理论值大，其中英国规范取值最大，取L5/（上端固结但可移动）和2.3/（上端

较接但可移动）；美国规范则取L2/和2.1/；我国规范取值最小，且规定的情况也最少；

但现实工程的边界条件情况，常常与表中所列情况有一定的区别。例如，在桥墩与上部

梁体较接或者固结时，因为桥墩有一定的柔性，由于混凝土收缩、徐变和温度变化，桥

墩顶端会由于桥梁上部结构伸缩而发生水平移动，移动以及移动的大小将影响计算长度

的结果，而墩顶移动量与梁的刚度有关，同时与墩顶及相邻墩顶的抗推刚度也有较大且

直接的关系，因此可以统筹考虑对象桥墩和相邻桥墩的抗推刚度以及桥墩间相互约束的

关系，来求取计算长度；桥墩顶端按钱接考虑时，没有考虑高桥墩墩梁通过焊接钢板固

结的情况；规范中的墩梁固结，其中梁应为刚度无限大，墩顶完全固结于梁内，实际上

这种情况难以做到且不存在；考虑墩顶与梁较接，用于连续刚构更加偏于安全。

在《04桥规》第5.3.10条偏心受压构件承载力计算公式中，对于高桥墩，计算长

度/（）对偏心距增大系数影响很大，结构承载力的重要因素，然而4）的取值却缺乏依据，

多采用经验值，设计人员常根据经验确定，从1〜2.5都有采用。这种情况导致了计算

长度的取值随意性增大，逐渐演变为在高桥墩设计过程中，参照原有图纸进行放大设

计情况的

万方数据

第一章绪论

增多，桥墩设计的越来越保守，造成工程上的浪费。

1.4墩顶水平位移研究现状

德国《铁路桥梁和其他工程结构物规范》（DS804）0H22]规定了时速大于160公里

/小时区段内，梁端折角不准超过1%。的限值，荷载包含离心荷载、摇摆荷载、风荷载、

温差荷载和地基位移所造成的转动，较为严格。

欧盟《高速铁路桥梁标准》（ENV1991-3:1995）对墩顶水平位移的控制措施包括“最

大横向水平折角”以及“最小曲线半径R”，要求在车速120公里/小时至220公里/小时

速度区域内，折角不得超过2.0%。，单线时最小曲线半径R=6000m,多线时最小曲线半

径R=9500m[23]o

日本《铁路结构设计规范与释义》㈤根据时速与跨度的不同，分级控制桥上轨道的

变位大小。当v=160km/h时，在跨度小于30米条件下，其折角限值为3.5%。；在跨度大

于等于30米条件下，其折角限值为4%。。

综合上述3个国家的技术标准，德国规范中荷载效应考虑比较全面，对位移量的限

制也最为严格；欧盟标准中，荷载效应与德国标准比较接近；日本规范因仅考虑活载效

应，对于极限位移的规定最为宽松必】。

国外对于墩顶水平位移国的研究，无论是梁的模型设置，还是荷载组合的选取，并

无较为统一的模型和荷载组合取值，所以研究结果也有较大差异〔26-39〕。

我国铁路规范对墩顶水平位移的限制经历了几次变化：《铁路桥梁检定规范》（铁运

函[2004]120号）HO〕，其思路和老规范⑷]较为一致，规定高墩（耳/522.5）的墩顶横向最

大振幅为公低墩QH、/B（25）的墩顶横向振幅为4m=/（"）；《铁路

桥涵设计基本规范》（TB1002.1-1999严1规定，墩台顶帽横桥方或顺桥向的弹性水平位移

△W5/~L（L为桥跨长度，单位为米，弹性水平位移单位为毫米）；新《铁路桥梁设计规范》

（TB10002.1—2005）阳】对墩顶横向位移的限值，采用了国际上的通行做法，即限制梁体

的水平折角小于1%。，水平折角为由于桥墩（台）横向水平位移大小不同而导致的相邻

结构物的轴线形成的角度。

吴定俊、陈一鸣说明了《铁路桥梁检定规范》中墩顶振幅限值的应用范围和来源依

据，提出了采用等效刚度法来计算轻型桥墩的墩顶位移限值ML

白青侠、宋一凡考虑基础弹性约束边界条件，采取能量原理对高桥墩进行了几何非

6

万方数据

长安大学博士学位论文

线性分析，桥墩的形函数通过将墩身弹性变形、基础平动以及转动导致的刚体位移之和

来组合构造；结论表明，高桥墩面对弹性基础时，地基弹性位移和几何非线性的影响都

不能忽视“力。

程翔云以变截面高墩为研究对象，用Newmark法来分析高墩的几何非线性效应，

提出了用等效的墩顶集中力替代桥墩中的分布压力，计算结果与考虑非线性的有限元模

型的计算值比较一致。利用Rayleigh-Ritz法，提出的墩顶位移计算公式比Newmark法的

更简单，提出了等效等直截面悬臂墩和等效水平力2个概念，并且考虑了板式橡胶支座

的抗推能力口句；田仲初、程祥云又针对桥面简易连续的多跨装配式桥梁和采用板式橡胶

支座的高桥墩，提出了计算高墩的计算图式和计算方法147】。

马朝霞推导了在基础弹性和刚性约束边界条件下，且墩顶有约束时，墩顶的位移公

式，分析认为，在弹性基础条件下，有必要考虑基础和墩顶的约束条件，但是文章中采

用了实际墩高作为计算长度，未考虑一端约束另一端自由或两端均约束时的桥墩计算长

度【48］。陈兴冲将桥墩简化成悬臂梁，质量集中在墩顶，采用转动及平动弹簧来模拟地基

弹性变形，采用Rayleigh-Ritz法推导了桥墩基频和基底约束刚度的关系149】。

李建、张炎在将压杆简化成墩底固结墩顶钱接、且把支座简化为弹性约束的条件下，

推导了高桥墩在存在墩顶约束条件下的位移公式，结果表明考虑弹性约束时对墩顶位移

的影响较大网】；粟伟、赵建三等卬则介绍了一种通过多套设施设备监控墩顶位移的方法；

文献画计算了连续梁桥在计入支座摩阻力情况下的墩顶力学参数；殷晓明、谢耀辉等［53］

运用能量法原理，推导出高桥墩在不同位置受到约束时的临界力变化规律，得到了若桥

梁基桩较长，应尽可能地在靠近桩顶部多增加约束以避免失稳的结论。

以上相关文献表明，对墩顶水平位移的计算还没有统一的定论，且在计算方法上也

有较大出入，研究获得的成果尚未较好的与工程实践结合。

1.5墩型比选研究情况

早在1977年，西南交通大学《柔性桥墩》一书中就对柔性墩的特点和类型进行了

介绍和比较，我国铁路上第一座柔性桥墩出自成昆铁路，采用刚架式，高13—16米，

上部结构为16米的简支梁，采用固定支座与墩相接。书中将柔性墩分为刚架式、排架

式和板壁式，当时仅通过对已建成桥墩经过通车和试验情况的观察和调查，表明几种桥

墩的应用比较满意，认为排架式柔性墩节省坊工、施工进度较快，对桥墩的结构形式和

7

万方数据

第一章绪论

尺寸、支座构造、墩顶横向约束、上部梁体架设、墩身温度应力、墩高与梁跨、水平力

如何传递等还处于不断试验和分析阶段铁道第三勘察设计院的周津斌155］结合铁道

部350公里客专空心墩通用图的编制工

作，对圆端形、矩形墩的五种方案，考虑工程量、刚度控制、施工便利以及外形等几个

方面进行了比较，总结出了高铁桥梁空心墩设计的规律。结果表明矩形墩比圆端形墩能

够节省工程量，且模板倒用率也高，但是适用范围偏小。

周华毅阐针对山区高速公路是采用分离式双柱墩还是整体式三柱墩、以及横坡陡峭

时的墩柱形式选择进行了比较论述，推荐采用分离式双柱墩。

张小月、陈艾荣等卬］以夏蓉高速水都段T梁桥高墩合理形式及应用研究为依托，对

国内外高墩桥梁桥墩造型的应用进行了研究；文中提出，通过调研，西部高等级公路中，

有高墩桥梁的比例超过了四成；在高墩桥梁中，桥墩是重要的结构单元，其景观效果对

桥梁整体景观方面的影响很大，墩型选择应注重与环境的协调；论文考虑透视效果、桥

墩修棱、均匀过渡、挖空切割、审美心理、开阔通透以及墩型对经济性的影响等方面，

对20m至80m以上的桥墩进行了总结、分析、比选，提出了墩型选择应综合考虑承载

力、经济性和造型美观的完美结合的观点。

刘钢成、王耀军的针对新建山西长治安阳高速公路两座峡谷桥梁的结构类型进行技

术、经济的比选，从桥墩选型影响桥梁结构形式的角度进行了分析。在最大墩高64m的

情况下，槐树坪大桥采用7跨40mT梁比采用(75+130+75)m连续刚构可节省建安费

735万元；白母塘大桥采用(11x40+5x35)mT梁方案可比(30+45+6x78+45+30)m连

续刚构节省建安费2200万元。除此之外，从施工的难易程度、工期、养护成本等角度,

T梁方案也均优于刚构连续梁方案。

中交一院的张志平、贾伟红【59】通过对咸至淳旬高速公路中三水河特大桥(跨径布置

为98m+5xl85m+98m)8种桥墩形式的选择，从力学性能、整体性、稳定性等方面进行

了综合比较，分析了超高墩(最大墩高183m)长联(联长1121m)大跨度连续刚构桥

墩形式的比选；通过对单肢薄壁空心墩和双肢薄壁空心墩的比较分析，如图1.1所示，

得出单肢薄壁空心墩比双肢薄壁空心墩节省工程量、有利于造价；单肢墩施工阶段的安

全性大于双肢墩；风力较大时，单肢墩抗扭能力强、抗弯刚度大、利于施工安全；无论

采用单肢或双肢墩，横桥向两幅桥桥墩之间宜设置横向联系；滑模或爬模施工都宜采用

简洁的形状，单肢比双肢施工便利的结论；最后，该特大桥中间4个高主墩均采用单肢

矩形薄壁空心墩，2个较矮边主墩采用了双肢薄壁空心墩。

8

万方数据

长安大学博士学位论文

图1.1三水河特大桥总体布置对比图

中交二院的欧阳青、王艳、王艳华网］通过对黔江至彭水公路瓦窑堡特大桥（跨径布

置为71m+3x125m+71m）3种桥墩（最大墩高79m）形式的选择，通过强度计算和

稳定计算，得出双薄壁墩与组合式（上半部分双肢、下半部分单肢）桥墩有一定经济性

优势；双薄壁墩在施工中最大悬臂时刻的安全系数较低；稳定方面，单肢墩强于组合式、

组合式强于双肢墩；设置横系梁是提高稳定性的有效方法，将双肢墩与空心墩相结合的

组合式桥墩也是提高墩稳定性的较好形式。

时翠芳Ei】综合考虑力学