桥梁墩顶位移限值研究综述及个例分析

蔡邦国， 陈伟敏

(浙江温州沈海高速公路有限公司， 浙江 温州　325002)



桥梁墩顶位移限值研究综述及个例分析

蔡邦国， 陈伟敏

(浙江温州沈海高速公路有限公司， 浙江 温州325002)

摘要：桥梁墩顶位移是桥梁安全的重要参数之一，对其进行深入研究十分必要。目前国内外各类规范对桥墩位移的限值规定不尽相同，也不够全面，为此对相关规范进行了深入细致的比较分析。结合某高速公路高架桥与海堤叠交段桥墩容许位移进行了探讨，参考国内外相关规范以及文献，对桥梁墩顶位移限值进行计算，并对不同规范的计算值进行比较分析。对桥梁墩顶位移限值的讨论与分析可为类似工程方案设计、施工工序选择以及工后监测提供重要参考。

关键词：桥梁； 墩顶位移； 限值； 规范

0前言

在高架桥的设计建造中，墩台的位移(包括竖向沉降和水平位移)是需要特别关注的参数之一。墩台基础的不均匀沉降会在桥墩支座位置产生变坡点，其在水平方向的位移将使桥面发生水平转折。过大的墩台位移一方面会使桥面不够平顺，影响行车的安全度和舒适度，另一方面也会使桥梁结构产生附加应力以致影响到桥梁安全。因此，需要对桥梁基础的沉降及水平位移给予一定的限值，以保证墩台发生位移后，桥头坡度或桥上线路的改变不致影响到桥梁的安全及车辆的安全行驶。

实际工程中，桥墩常常受到周围其他工程的影响，导致一定程度的水平位移和沉降。然而，这些位移应控制在多大范围？目前为止，国内外学者对桥梁基础位移限值有一定研究[1-4]，一些规范也做了相关规定[5-11]。但是，相关桥梁规范对桥墩位移的限值规定并不全面，比如，文献[5]中关于桥梁墩顶位移限值的规定主要是墩台沉降，对横桥向和顺桥向位移则没有明确。而且，对墩台基础不均匀沉降限值、墩顶横桥向或顺桥向位移限值在不同的地质条件下到底如何取值存在争议。因此，研究桥梁墩顶位移限值并为设计提供依据十分必要。

本文对国内外相关规范中关于桥墩位移的规定进行了系统总结，并对一些学者的相关研究进行了分析，探讨了高速公路高架桥桥墩的合理位移限值。最后，针对某高速公路高架桥桥梁墩顶位移限值采用几种方法进行了计算及分析。

1墩顶位移限值研究与应用现状

1.1国内研究

国内不少学者对桥梁基础及类似结构的位移限值进行了相关研究。郭新伟[3]采用水平折角的限值反算得到高速铁路桥梁墩顶横桥向水平位移控制值。孙树礼等[4]对国内外部分铁路桥梁墩顶横向位移的限值进行比较研究，并选取3条有代表性的既有铁路线对比分析其墩顶位移值，认为现有铁路桥梁规范中有关位移限值的规定是合理的，建议桥墩横向水平位移限值宜通过相邻结构物之间的水平折角的限值来表示。

国内对桥梁墩顶位移的研究较多，而且，尤以针对铁路桥的居多，但是，针对高速公路桥梁的相关研究则较少。胡槿初[12]系统总结了铁路桥梁墩顶水平位移限值的发展演变过程。严盛强[13]对公路刚性基础高桥桥墩采用上端弹性约束下端固定的计算模型分析墩顶位移，得到了计算刚性基础高桥桥墩墩顶位移的公式。陈殿邦[14]从能量法原理出发，得到了双薄壁高墩的墩顶位移计算公式，同时认为墩高较高时必须考虑二阶效应。

张静元和马科萌[15]利用有限元方法研究了基坑不同开挖深度对桥墩、桩基础和周围土体的影响。王俊杰等[16]利用三维有限元对大规模超长群桩基础工作性能的数值模拟，研究了桩基础的位移性状。陈刚等[17]研究了跨线桥桩基施工对既有高速公路影响。蒋顺强等[18]对路堤分层填筑碾压过程中桥台上的土压力和位移进行现场监测，结果显示，碾压对竖向土压力几乎没有影响，但大大增加了水平土压力。

虽然国内学者对桥梁基础及墩顶位移做了一定的研究，但是针对墩顶位移的具体规范还不是很明确，尤其是关于公路桥横桥向和顺桥向位移的研究还相对较少，不能满足工程应用的要求。相比之下，铁路桥的相关规范的规定比较明确具体。

国内规范对桥梁墩顶位移限值的一些规定列举如下。

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)[5]第4.3.3条规定，相邻墩台之间的不均匀沉降差值(不包括施工中的沉降)，不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡(折角)。同时，外超静定结构桥梁墩台间的不均匀沉降差值还应满足结构的受力要求。

《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621-2009)[8]第7.3.9条首先对墩台横向水平线刚度作了原则性的规定，指出铁路桥梁墩台横向水平线刚度应符合高速行车条件下列车安全性和旅客乘车舒适度的要求，同时还应对最不利荷载作用下桥梁墩台顶的横向弹性水平位移进行计算。特别地，在ZK活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度等荷载作用下，桥梁墩顶的横向水平位移所引起的桥面处梁端水平折角应不大于0.1%弧度。梁端水平折角如图1所示。

图1　梁端水平折角示意图

《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621-2009)[8]第7.3.10条指出墩台基础的沉降应按横载计算，同时，还明确了铁路桥梁墩台基础的工后沉降量不应超过表1中限值。此外，超静定结构相邻墩台间的沉降差除应符合规定外，尚应根据沉降差对桥梁结构产生的附加应力影响最终确定。静定结构墩台基础的工后沉降限值列于表1中。

表1 文献[8]对墩台基础沉降限值规定沉降类型桥上轨道类型限值/mm墩台均匀沉降有砟轨道30无砟轨道20相邻墩台沉降差有砟轨道15无砟轨道5

《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10002.5-2005)[10]第3.2.1条指出，应按恒载计算桥涵基础的沉降。对静定结构的墩台总沉降量与墩台施工完成时的沉降量之差规定如下容许值：对于有碴桥面桥梁，墩台均匀沉降量容许值不得大于8 cm，相邻墩台均匀沉降量之差不得大于4 cm。对于明桥面桥梁，墩台均匀沉降量不得大于4 cm，相邻墩台均匀沉降量之差不得大于2 cm。超静定结构在确定其相邻墩台均匀沉降量之差的容许值时尚应考虑沉降对结构产生的附加应力的影响。

1.2国外研究

Martin等[19]对6种不同结构形式的公路桥梁进行了地震响应的反应谱分析，通过对比有无竖向变形时地震响应的结果差异来研究竖向变形对公路桥梁地震响应的影响。Pan[20]研究了公路连续钢结构桥梁的地震易损性，考虑了材料强度、桥梁重量、伸缩缝尺寸等不确定性因素，认为非线性和多变量回归分析比常规线性回归更适合桥梁响应数据的分析。Kwan等[21]针对后张无粘结混凝土桥墩的单调和循环荷载进行了分析，提出了一种准则用于改进现有的标准，该准则同时适用于常规的钢筋混凝土结构和后张无粘结桥梁结构。

日本和欧洲各国规范主要采用墩台横向水平位移之差所引起的相邻结构物轴线间水平折角形式来作为桥墩横向水平位移限值。各国规范对水平折角的限值规定有一定差别，部分国外规范对墩台位移限值规定列举如下。

为便于查阅，将国内外规范对桥梁墩顶位移限值的规定汇总列于表2中。

表2 规范规定的桥梁墩顶位移限值规范位移限值墩台基础位移(或折角)限值公路桥涵地基与基础设计规范[5]相邻墩台沉降差0.2%(折角)公路养护技术规范[6]水平位移限值5L(mm)墩台总沉降值20L(mm)相邻墩台沉降差10L(mm)城市桥梁养护技术规范[7]水平位移限值5L(mm)墩台总沉降值20L(mm)相邻墩台沉降差10L(mm)高速铁路设计规范(试行)[8]横桥向位移限值0.1%(折角)均匀沉降量30/20(mm)相邻墩台沉降差15/5(mm)铁路桥涵设计基本规范[9]横桥向位移限值0.15%/0.1%(折角)顺桥向位移限值5L(mm)墩台总沉降值80/40(mm)相邻墩台沉降差40/20(mm)铁路桥涵地基和基础设计规范[10]墩台均匀沉降量80/40(mm)相邻墩台沉降差40/20(mm)地铁设计规范[11]横桥向位移限值4L(mm)顺桥向位移限值5L(mm)墩台总沉降值50(mm)相邻墩台沉降差20(mm)日本规范[22]横桥向位移限值0.35%～0.4%(折角)德国规范[23]横桥向位移限值0.1%(折角)欧盟规范[24]横桥向位移限值0.15%/0.2%(折角)

2个例分析

2.1工程概况

某高速公路高架桥梁与海堤叠交段，海堤填筑荷载对桥梁基础位移有重要影响，虽对其位移进行了计算分析，但找不到合适的规范给出合适的位移容许值。基于此，本文进行了相应分析探讨。高架桥梁与海堤叠交布置图如图2所示。

图2　桥梁与海堤交叉段设计图

海堤堤身典型横断面宽度为175 m，堤顶高程为7.4 m，外海侧堤身采用抛石填筑，围区侧海堤吹填闭气土，抛石区堤身下方地基设有100 m宽24 m深的塑料排水板以加快地基土的排水固结，子堤填筑抛石。与海堤交叉的高速公路桥梁主跨跨径为135 m，边跨跨径为75 m，主连续梁外海侧与50 m预应力混凝土连续箱梁相连接，主连续梁围区侧与45 m预应力混凝土连续箱梁相连接。桥墩基础采用钻孔灌注桩，主桥墩桩基础设计桩长91 m，每个主桥墩桩基础有19根桩，桩径2.2 m，桩距5.8 m，梅花形布置。边墩桩基础设计桩长85 m，各有12根桩基础，桩径1.5 m，桩距4 m。钻孔揭示，桥梁与海堤交汇段，地基的软土覆盖层超过60 m厚，地质分层主要为淤泥质粘土、粘土层及砂卵石层，主桥桩伸入砂卵石层约30 m。

高速公路桥梁斜跨海堤，按照高速公路与海堤各自的设计施工进度，两工程交叉段的施工工期较为接近。且海堤先期施工，地基固结沉降在海堤施工结束后将会持续很长的一段时间，海堤的沉降对桥墩水平位移及沉降带来的影响。这种影响是否是桥梁所能承受的，需要研究，因此，必须给出桥墩的位移限值。

2.2桥梁墩顶位移限值的计算比较

如前所述，桥梁与海堤交叉段桥梁结构形式是三跨连续梁桥，主梁是超静定结构，墩台的位移会引起梁体各孔内力发生变化。因此桥桩桥墩的位移控制首先必须满足材料强度、结构受力要求。下面利用不同规范，计算该高架桥桥墩位移限值，并进行比较。

对《高速铁路设计规范》、《铁路桥涵设计基本规范》、欧盟规范、德国规范、日本规范等国内外规范，并没有直接规定水平位移限值，而是规定了折角的限值。为得到这些规范对应的水平位移限值，便于不同规范的比较，这里利用文献[3]建议的方法依据梁端水平折角的限值来反算桥墩墩顶的横向水平位移控制值。文献[3]的方法是假设目标桥墩相邻一孔(联)梁的另一侧梁端处的桥墩墩顶横向水平位移为零，从而得到桥墩墩顶横向水平位移限值Δ公式[3]：

(1)

式中，α0为梁端水平折角限值，rad；L1、L2为目标桥墩相邻两孔(联)梁的交点距，m；Δ为桥墩墩顶横向水平位移限值，mm。

本节研究拟从相关标准规范及国内外科研机构等的研究成果中总结分析得到本工程主桥墩及边墩墩顶位移限值。由于桥梁结构形式的多样化，规范并没有对每一种桥梁类型都制定相应的墩顶位移限值，多以简支梁桥为例。因此，本节位移限值的选取参照了简支梁桥的一些规定。另外，计算位移限值时，桥梁跨径的取值按桥墩左右两跨中较小跨径取用，即计算主桥墩位移限值时，桥梁跨度按75 m取用；计算边墩位移限值时，桥梁跨度按50 m及45 m取用。

《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)第4.3.3条规定相邻墩台间不均匀沉降差值(不包括施工中的沉降)，不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡(折角)[5]。计算得本例中主桥墩和边墩的工后不均匀沉降差限值均为15 cm。

借鉴日本铁路规范关于铁路轨道面折角的规定，对应于时速160 km/h水平折角限值为0.35%～0.4%，计算得本例中主桥墩横桥向水平位移限值为16.8 cm，边墩横桥向水平位移限值为10.5 cm(外海侧边墩)和9.8 cm(围区侧边墩)。这显然比前述我国现行规范规定的桥墩横向水平位移的限值要大。

各个规范对墩顶位移限值的规定不尽相同，在此就不再一一赘述，仅列出根据各个规范计算得到的位移限值结果，见表3。

表3 依据部分规范计算的墩顶位移限值cm规范位移限值主桥墩围区侧边墩外海侧边墩公路桥涵地基与基础设计规范[5]相邻墩台沉降差151515文献[6,7]水平位移限值4.33.43.5总沉降量17.313.414.1相邻墩台沉降差8.78.78.7高速铁路设计规范(试行)[8]横桥向位移限值4.82.83.0均匀沉降量3.03.03.0相邻墩台沉降差1.51.51.5铁路桥涵设计基本规范[9]横桥向位移限值4.82.83.0顺桥向位移限值4.33.43.5沉降量8.08.08.0相邻墩台沉降差4.04.04.0地铁设计规范[11]横桥向位移限值3.52.72.8顺桥向位移限值4.33.43.5沉降量5.05.05.0相邻墩台沉降差2.02.02.0日本规范[22]横桥向位移限值16.89.810.5德国规范[23]横桥向位移限值4.82.83.0欧盟规范[24]横桥向位移限值9.65.66.0

据表3可以看出，对于墩台横桥向水平位移，日本规范的限定相对较宽松，而德国规范的限定与我国《高速铁路设计规范(试行)》一致，均为0.1%的折角限值，相比我国现行的其他规范略严格。

对于墩台竖向沉降，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)相比其他规范对相邻墩台沉降差的要求要低，为15 cm，位移限值可能过大而达不到高速公路高架桥功能性、安全性的要求。但是，按《高速铁路设计规范(试行)》和《地铁设计规范》计算得到的相邻墩台沉降差分别为1.5 cm和2.0 cm，可能过于保守。对高速铁路桥梁横桥向位移，郭新伟[3]研究了在孔跨组合随机变化、墩顶横向位移差随机变化的情况下，连续梁中间墩处的梁端水平折角的变化，提出反算连续梁边墩的墩顶横向水平位移限值修正公式：

(2)

式中，Lc为与连续梁相接的简支梁的交点距，m；Δb为连续梁边墩墩顶横向水平位移限值，mm。

文献[3]提出的反算连续梁中墩的墩顶横向水平位移限值修正公式[3]：

(3)

式中，P1为连续梁中跨跨度，m；P2为连续梁边跨跨度，m；ΔZ为连续梁中墩墩顶横向水平位移限值，mm。

这里，运用上述墩顶位移限值反算修正算法，取与连续梁相接的简支梁交点距为引桥跨径，连续梁跨径按设计跨径取值，得到本工程预应力连续箱梁外海侧边墩、主桥墩、围区侧边墩墩顶横向水平位移限值，如表4所示。

表4 依据文献[3]计算的墩顶位移限值cm桥墩位置横向水平位移限值外海侧边墩2.50主桥墩外海侧1.84围区侧1.66围区侧边墩2.25

从上节分析可知，对于本工程实例，不同规范得到的墩顶位移限值不尽相同，且差异很大。铁路规范总体比公路规范规定的位移限值要小，其中，高速铁路规范的位移限值最严格。本工程桥梁为高速公路桥梁，借用高速铁路规范的位移限值似太严格。文献[6]称适用“各级公路”，而文献[7]则是针对城市桥梁，尽管它们都同时建议了墩顶(相同的)各类位移限值，但是，这两个规范建议值能否适用于高速公路桥梁，作者认为需要深入研究论证。因此，这里从偏于安全角度考虑，建议按照铁路桥涵设计基本规范规定的位移限值取用。

3结语

本文总结了国内外对桥梁墩顶位移限值的研究现状以及不同规范关于墩顶位移限值的规定，发现目前国内外规范对桥梁墩顶位移限值的规定并不全面，不同规范相差较大，且没有针对高速公路桥梁的规定。针对某高速公路桥梁与海堤叠交段的桥梁，采用不同规范确定其墩顶位移限值，进行了比较分析。根据本工程桥梁的情况，作者建议其位移限值暂参照一般的铁路桥的限值取用。

另外，本工程的高速公路桥梁结构形式为大跨度连续箱梁，属于超静定结构，位移限值同时应根

据变形对结构产生的附加应力的影响而定。

针对高速公路桥梁，应进行深入研究，提出适合其工作性能的桥墩位移限值。

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文章编号：1008-844X(2016)02-0182-06

收稿日期:2015-12-14

作者简介:蔡邦国( 1974-) ，男，高级工程师，硕士学位，研究方向为: 工程建设及管理。

中图分类号：U 442.5

文献标识码：A