铁路桥梁圆端形空心墩的设计

铁路桥梁圆端形空心墩的设计陈慧【摘要】从圆端形空心墩与其他几种常用铁路桥墩的比较入手，介绍圆端形空心墩的适用范围、构造特点、计算内容；通过对圆端形空心墩设计经验的总结及对不同时速规范、暂行规定的理解，归纳了影响圆端形空心墩尺寸的主要因素；在对圆端形空心墩设计中大量计算数据研究比选的基础上，论述了空心墩的设计特点，总结了墩身设计中的一些规律；阐述了空心墩的设计流程及其控制点。【期刊名称】铁道标准设计【年(卷)，期】2009(000)004【关键词】铁路桥梁；空心墩；设计1概述随着铁路建设的发展，受力性能好、纵横向刚度大、又能节省圬工的空心墩越来越多地应用于工程实践。圆端形空心墩，较之圆形空心墩，具有更大的横向刚度,更合理的纵横向尺寸搭配；较之矩形空心墩，具有更好的水流顺畅性、更方便的施工操作性；较之圆端形实体墩，虽施工难度加大、钢筋用量较多,但在高桥墩情况下，它所具有的较大墩身刚度、较少墩身圬工量、较经济的基础形式，是实体墩不可比拟的。因此，本文将对圆端形空心墩的设计特点进行论述。2圆端形空心墩与实体墩的比较适用范围对常用的32、24m简支梁圆端形实体桥墩而言，当墩高大于30m时，设计需要较大的实体截面，墩身混凝土数量很大（在双线时尤为突出），墩身、基础设计均不经济。经验表明，采用空心截面能较好地解决这一难题。目前在一些在建客运专线上，为使桥墩获得更大的刚度、节省墩身混凝土、尽量减少模板种类，对常用跨度简支梁圆端形桥墩,在墩高大于15m时，就已采用了空心截面。表1为合武线（时速250km双线）32m+32m圆端形实体墩与空心墩墩身工程数量与墩身纵向刚度对比表。由表1可见，墩高越高，空心墩在增大墩身刚度、减少墩身混凝土上的优势就越明显，但钢筋用量较实体墩多。（2）构造特点圆端形实体墩由顶帽、托盘、墩身组成，构造简单；空心墩则包括上、下实体段，上、下倒角，空心墩身，墩内检查通道，墩壁通风孔等,构造相对复杂。图1为包神线（时速200km双线）32m+32m圆端形实体墩与空心墩的构造图。按《铁路桥涵设计基本规范》第5.3.1条,目前空心墩多为厚壁结构，墩颈处壁厚不小于0.5m（本文也主要针对厚壁空心墩）；按文献［1］介绍，在满足局部稳定的前提下，一般空心墩可不设隔板。⑶计算内容圆端形实体墩墩身设计主要包括：截面应力，偏心检算,整体纵向稳定性检算，墩身弹性变形产生的墩顶纵、横向位移计算,墩身纵向刚度计算。圆端形空心墩为空间板壳结构，墩身设计有其独特之处：截面应力检算除按常规方法计算外荷产生的拉压应力外，还应计入温度应力、固端干扰应力的作用，高墩的自振频率与风振也是截面应力的影响因素。混凝土空心墩可不做截面偏心检算，但截面拉应力值不得大于混凝土的容许弯曲拉应力，这是与实体墩不同的。在稳定性方面，空心墩应进行整体稳定、局部稳定的检算。高墩的位移、刚度是墩身设计的控制条件。〃日照温差产生的墩顶位移”这一分项的增加,是与实体墩墩顶位移计算不同的；在考虑温度应力、地震作用等因素而使空心墩墩身配筋较多许多截面已超过了钢筋混凝土截面的最小配筋率时,笔者认为，截面的抗弯刚度应取为0.8EI,这与实体墩抗弯刚度取1.0EI也是不同的。在对列车竖向动力系数的采用上，实体墩可不计列车竖向动力作用；空心墩上实体段计算、墩身截面应力及配筋计算，均需计入列车竖向动力作用。上下实体段设计，是空心墩的又一不同之处。可利用ANSYS、MIDAS等空间计算程序进行应力分析，确定上下实体厚度、上下倒角大小等关键尺寸并指导配筋。3墩身尺寸设计的影响因素力学要求圆端形空心墩必须满足各种荷载作用下的强度、稳定性要求。刚度要求众所周知,当桥墩较高时，位移、刚度成了决定墩身尺寸的控制因素。通过调整墩身与基础之间合理的刚度比值，可使下部结构更加经济。跨度大小跨度不同，桥墩承受的恒活载不同，列车竖向动力系数不同,墩顶纵、横向位移容许值不同，墩顶纵向刚度限值不同等都很大程度地影响着墩身尺寸，一般情况下,跨度越大，墩身尺寸越大。速度大小设计速度对墩身尺寸的影响主要体现在上下部结构技术标准的采用上。具体说来，设计速度不同,所采用的梁部就会有所不同（对墩身尺寸的影响参见本节相关论点）；桥墩设计所采用的列车活载类型（中活载、ZK活载）、墩顶横向水平位移弓I起的桥面处梁端水平折角容许值（1.0%。、1.5%。）、列车竖向动力系数计算方法、曲线离心力大小计算方法、作用位置等都会有所不同，直接影响着墩身设计。（5） 梁部类型—般说来,双线简支T梁下的顶帽横向尺寸会大于同跨度双线整孔简支箱梁；墩顶简支梁不同类型搭配（如24m箱梁分别与32m箱梁、32m钢梁搭配）设置不同的纵向预偏心；连续梁（如3x32m连续梁）中墩的墩身尺寸会大于简支梁（如32m+32m简支梁）等，这些都从不同方面反映了梁型对墩身尺寸的影响。顶帽尺寸的拟定,与所采用的梁型有关。应考虑顶梁时千斤顶放置空间需要、维修养护需要及施工时分片架梁、移梁需要，支承垫石边缘距顶帽边缘的最小距离应满足相关规范的规定。此外，不同的梁部，桥墩检查设备等附属工程的设置也会有所不同。（6） 地质条件地质条件对墩身尺寸的影响主要反映在对基础刚度的影响上。基础刚度发生变化时，为满足墩顶纵向刚度要求，墩身刚度需相应调整：在相同墩顶纵向刚度条件下,基础刚度越大，墩身就可设计得较柔些；基础刚度越小，墩身则必须刚劲些；其他条件均相同时，扩大基础的墩身尺寸可设计得较桩基础的小。合理选择墩身刚度与基础刚度的比例关系,是影响桥墩尺寸的重要因素。表2为包神线（时速200km双线）48m+48m简支箱梁65m高圆端形空心墩墩身与基础不同刚度比值时的下部结构圬工数量比较。由表2可见，在墩顶纵向刚度相近的条件下，墩身与基础的刚度比为40:60时下部结构圬工量最省。墩身刚度过小，必须加大桩间距以获取较大的基础刚度，造成承台自重、襟边土重的增加，单桩承载力的增大，从而影响到桩长或桩基根数；墩身刚度过大，较大的墩身尺寸、质量、相对较小的桩间距同样会引起单桩承载力的增大，增加桩基工程量，甚至造成墩身刚度的浪费。上述结论是在特定的地质条件下得出的。若地质条件变化，基础刚度相应变化，需调整墩身与基础的刚度比才能使下部结构最经济，墩身尺寸会因此变化。线路条件桥墩所处的线路单双线、直曲线条件，也会影响墩身尺寸选择。一般说来,双线圆端形空心墩的纵横向尺寸均较单线大，局部稳定性差些,但截面拉应力、墩顶位移较单线墩小；双线桥的直曲线墩可采用相同的尺寸，单线桥曲线墩的尺寸会比直线墩大，并可视具体情况设置横向预偏心。4圆端形空心墩设计中的几个常见问题墩身尺寸对纵向刚度的影响规律桥墩越高，墩顶纵向刚度越难满足规范的要求,纵向刚度成为决定圆端形空心墩尺寸的重要因素。在选取了墩身与基础的合理刚度比，明确了墩本身需要达到的纵向刚度后，就可在墩颈直径D、墩颈壁厚t、墩身直段B、墩身内外坡率n夕卜、n内这些主要尺寸上进行研究比较以期用最小的圬工获取最大的刚度。图2为包神线(时速200km双线)48m+48m简支箱梁65m高圆端形空心墩对上述尺寸所做的墩身圬工与刚度相关曲线的比较图。由图2可见，在墩身刚度＞1500kN/cmx双线范围内，当墩身圬工相同时，对墩身刚度的贡献由大到小排序为：墩颈直径D＞墩身外坡n外卜〉墩身直段日＞墩身内坡n内〉墩颈壁厚t。据此,可有针对性地调整墩身尺寸，使墩身设计经济合理。单线曲线墩的横向预偏心问题与单线直线墩相比，曲线墩需承受来自桥面活载的离心力，当墩身截面较小时，离心力将额外产生较大的拉应力。为改善这种不利的受力状态，受截面应力、偏心控制的圆端形实体墩大多设置了横向预偏心，利用恒载横向偏心力矩来抵消一部分曲线离心力矩，这已为许多工程实例所应用。单线曲线圆端形空心墩则有所不同，在满足墩顶位移(尤其是横向位移)或纵向刚度的控制条件后，截面拉应力已大幅减小，多处于混凝土的容许弯曲拉应力范围之内或少许超限；另一方面，曲线横向位移计算不考虑恒载横向偏心力矩影响，活载横向偏心力矩产生的横向位移在总位移中所占份额又较小，使得横向预偏心的设置对减小墩顶横向位移贡献甚微。故单线曲线墩是否设置横向预偏心，设计时应认真对待。线路条件对截面尺寸的影响不同线路条件下，圆端形空心墩的截面尺寸选用一般遵循以下规律：双线空心墩及较大跨度伽64m)的单线空心墩，墩身尺寸受墩身纵向刚度控制，直曲线墩可采用相同的空心圆端形截面尺寸；而常用跨度单线空心墩,除可能受墩身纵向刚度或纵向位移控制外，曲线墩还可能受墩身横向位移控制，故曲线上多采用空心圆端形截面，直线上多采用空心圆形截面。5结语综上所述，圆端形空心墩的设计，应根据孔跨、墩高、地质条件、墩身刚度的影响规律等因素,初步确定墩身与基础的合理刚度比及墩身尺寸；再结合线路条件、梁部类型、设计速度等情况,对所拟桥墩进行风振、频率、温度应力、位移、刚度、稳定性、强度等计算；各项指标满足要求后，综合考虑下部结构的技术经济性、附属工程的布置形式、维修养护等需要，对墩身