山区桥梁高墩选型研究

胡　健，陈栋宇，张非非

山区桥梁高墩选型研究

胡健1，陈栋宇2，张非非1

（1.江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210049；2.江苏省交通规划设计院有限公司，江苏 南京 210014）

山区地形复杂，桥墩高度变化多样，为桥墩选型带来了一定的困难。文章以甘肃省一处跨越深沟的组合箱梁桥为探讨对象，分析比较了在桥宽较窄时，不同墩高桥墩的稳定性、承载力和工程量，提出了不同类型桥墩适用的墩高范围。

桥梁工程；组合箱梁；高墩；设计；比选

一般来说，桥墩型式的选取需综合考虑上部结构类型、跨径、墩高、荷载等参数［1］，通过计算、分析、比选后才能确定。对于不同地区，考虑到设计认知、施工水平和习惯等的差别，其桥墩型式也有差异，比如40 m的墩高，在湖南、重庆，考虑双柱实心墩居多，而在甘肃，设计都偏向于使用矩形墩，在30 m以下才考虑双柱实心墩［2］。本文以甘肃213省道工程为依托，进行了高墩形式选择和探讨。

1　桥墩的比选

该桥跨越隧道前段的一处V形深沟。拟定了两个方案，推荐方案是主跨90 m的连续刚构，比较方案是7×40 m组合箱梁，从小里程桩至大里程桩墩高分别为11.8 m、31.6 m、58 m、64 m、35.2 m、21.2 m，通过搜集相关山区桥梁高墩资料［2］，发现30～60 m范围内高墩的选型标准较为多样，各地区存在较大差异。例如50 m的高墩，有的地区采用矩形实体墩，也有的采用空心薄壁墩；30 m的高墩，有的地区采用柱式墩，也有的采用矩形墩；因此本工程在选择墩型时较为不便。

由于项目路线跨越甘南山区，为了给桥墩的选型、尺寸的拟定提供依据，通过建立midas模型对桥墩进行屈曲稳定性、承载力、工程量方面的比选分析，确定各墩高的桥墩型式及其适用范围。

30～60 m区间常见的桥墩型式见图1［3］。

图1　3种基本桥墩型式

若桥墩过高，采用坡率为1∶50～1∶100的变截面高墩，以增加桥墩的稳定性和承载力，见图2。

图2　等截面薄壁墩和变截面薄壁墩

本文以甘肃213省道工程为依托，对30～60 m区间的墩高选型进行探讨，路线在K50+430.000处跨越了纳木桥东岔地区V形深沟，沟深约80 m，沟宽260 m左右，路线与河流交角60°，桥梁按正交设计。全桥跨径组合为7×40 m，桥梁全长288.8 m，桥梁宽度为10 m。上部结构为40 m装配式预应力混凝土箱型连续梁；下部桥墩采用薄壁墩、柱式墩［4］，桥台采用桩柱式桥台，钻孔灌注桩基础。桥型图见图3、图4。

主要施工方法为：上部装配式箱梁部分采用预制安装方法施工；桥墩采用滑模施工。

图3　纳木桥东岔大桥桥型图（单位：cm）

图4　纳木桥东岔大桥横断面

本文对该桥桥墩宽度进行了专项探讨，分别就该桥可能选用的薄壁变截面墩、矩形变截面墩、圆柱墩在30～70 m区间的稳定性、承载力、工程量等性能进行分析对比，从而找出更适宜该种墩高和受力状态的桥墩类型。

经过对该桥桥墩初拟尺寸后［3-4］，进行受力分析，得出该桥单墩上部恒载反力N1=5 187 kN，活载反力N2=1 375.4 kN；当墩高64 m时，横桥向所受风力W=1 732 kN；同时作用于桥墩的还有纵桥向制动力F=330 kN；在这3种主要外力作用下，首先分析各种墩高下的桥墩稳定性，变截面墩均按1∶100坡度放坡。

2　桥墩稳定性分析

考虑到桥宽较窄，上部构造对桥墩约束能力较弱，采用放松上部的简化方式对桥墩进行分析［1］，约束桥墩底部截面，桥墩上段处于自由状态。建立midas模型，利用midas的屈曲分析功能［5］进行计算分析。

3种桥墩的墩高-临界荷载系数曲线见图5～图7。

图5　薄壁墩墩高-临界荷载系数曲线

图6　矩形墩墩高-临界荷载系数曲线

图7　圆柱墩墩高-临界荷载系数曲线

由图5～图7可以发现：

（1）薄壁墩30～40 m区间临界荷载系数下降较其它区段快，且30 m时的临界荷载系数过大，超过了120；

（2）矩形墩30～40 m区间临界荷载系数下降较快，且30 m时的临界荷载系数过大，超过150；

（3）对于圆形墩，在满足承载力要求的柱径尺寸前提下，40 m以上墩柱其临界荷载系数增长较快。

综上所述，30～40 m区间，薄壁墩和矩形墩的稳定承载力储备过大，临界荷载系数过大，说明：薄壁墩和矩形墩较适宜40 m以上的墩高，在40 m以上墩高区间其稳定性承载力能被充分利用；而圆柱结构随着柱径增大，其稳定性有较明显的改善。

3　桥墩承载力分析

承载力分析采用桥梁博士，分析以受力最大的墩底截面为准，桥墩所受荷载与前述稳定性分析相同。桥墩配筋采用25#钢筋为主筋，圆柱墩以10 cm间距均匀配置，矩形墩和薄壁墩以12 cm间距均匀配置。3种桥墩的墩底承载力与墩高关系曲线见图8～图10。

图8　薄壁墩墩高-承载力曲线

图9　矩形墩墩高-承载力曲线

图10　柱式墩墩高-承载力曲线

由图8～图10可以发现：

（1）薄壁墩30～40 m区间承载力增长较快，40～50 m区间承载力几乎没有增长，50 m以后承载力又有小幅增长；

（2） 矩形墩30～70 m区间承载力始终保持均匀的增长；

（3）对于圆形墩，在满足承载力要求的柱径尺寸前提下，40～50 m区间承载力较其它区间有较快的增长。

由上述可以看出，薄壁墩在40 m高度以后有较大承载力，矩形墩承载力随墩高均匀变化，圆柱墩在30～40 m和50 m以后承载力增长会遭遇瓶颈，且50 m以后承载力增幅缓慢。

4　桥墩工程量分析

在工可阶段要重视工程量的分析，因为工程量影响到造价，控制着工程规模。特别是对于高墩桥梁，桥墩的工程量对整个桥梁的规模和造价有着重大的影响。因此拟定好桥墩的尺寸至关重要，经过对比同类工程和参考相关公式，初步拟定薄壁墩墩顶尺寸6 m×2.2 m，墩底尺寸7.28 m×4.76 m，壁厚0.5 m；矩形墩的墩顶和墩底尺寸同薄壁墩；圆柱墩在满足承载力要求下的最小尺寸为30 m采用1.6 m柱径、40 m采用2.0 m柱径、50 m采用2.5 m柱径、60 m采用3 m柱径。

通过计算分析，得出3种桥墩形式的墩高-砼量曲线，见图11～图13。

图11　薄壁墩墩高-砼量曲线

图12　矩形墩墩高-砼量曲线

图13　圆柱墩墩高-砼量曲线

由图11～图13可以发现：

（1）薄壁墩和矩形墩所使用的混凝土量随墩高呈均匀变化；

（2）矩形墩墩高在70 m时其混凝土用量达到了1 600 m3以上，是同等高度薄壁墩混凝土用量的2.7倍，在60 m时其混凝土用量达到了1 300 m3，是同等高度柱式墩的3倍。

（3）柱式墩在40 m高度以后，其混凝土用量迅速上升，且柱径变得过大。

由上述可以看出，矩形墩混凝土用量在60 m以后会很大，为其他桥墩结构形式的2倍以上，而柱式墩混凝土用量在40 m以后会陡然上升，并且柱径会变得过大，导致墩柱和桩基施工困难。

5　结论

通过稳定性、承载力和工程量方面的分析，得出山区公路较窄桥梁（本文纳木桥东岔大桥桥宽10 m），在常规受力状态下，其桥墩型式选取的原则如下：

（1）40 m以下墩高，宜采用圆柱墩；

（2）40～60 m墩高，宜采用矩形墩；

（3）薄壁墩适用范围较广，但考虑到其施工较复杂的特点，最合适的墩高范围是大于50 m。

纳木桥东岔大桥6个墩墩高分别为11.8 m、31.6 m、58 m、64 m、35.2 m和21.2 m，选取3#、4#墩为薄壁墩，其余均采用柱式墩。

［1］康文静.高墩设计理论探讨［D］.湖北：华中科技大学，2006.

［2］时翠芳.山区高墩墩顶水平位移及墩型比选探讨［D］.西安：长安大学，2013.

［3］马保林.高墩大跨连续刚构桥［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［4］宋雪蕾.山区高墩桥梁布设的几点注意事项［J］.中国水运. 2010（11）：211-212.

［5］邱顺冬.桥梁工程软件midas Civil常见问题解答［M］.北京：人民交通出版社，2009.

Study on Bridge High Pier Selection in Mountain Area

Hu Jian1， Chen Dongyu2， Zhang Feifei1
（1. Jiangsu Modern Highway Bridge Co. Ltd.， Nanjing 210049， China；2. Jiangsu Provincial Transpotation Planning & Design Institute Co.， Ltd， Nanjing 210014， China）

The mountainous terrain was complex， and the height of bridge pier varied，which brought some difficulties to the bridge pier selection. Based on a composite box grider across the deep ditch in Gansu province， this paper studied and compared the stability， bearing capacity and engineering quantity of bridge pier with different height when the bridge width was narrow. It put forward the height applicability of different types of bridge pier.

bridge engineering； composite box girder； high pier； design； comparison

U442.5+4

A

1672-9889（2015）06-0036-04

胡健（1981-），男，江苏溧水人，工程师，主要从事公路养护、设计、咨询等工作。

（2015-03-17）