高海拔高墩桥梁桥墩选型研究

张 艳

（西安开道万交通科技有限公司,陕西 西安 710000）

0 引言

桥墩是桥梁的主要受力构件，桥墩的结构形式影响桥梁的安全性、耐久性和正常使用。高墩桥梁的桥墩型式是设计的重点。一般而言，确定桥墩型式需要综合考虑桥梁上部结构类型、桥梁跨径、桥墩墩高、桥梁承受荷载等参数，经过计算分析后，再经比选确定[1]。对于高度不同的桥墩，其下部型式多种多样，如双柱、单柱，空心、实心，Y型、门型、V型，桥墩截面型式又分为等截面、变截面。而且不同的地区，由于设计者认知水平、施工方建设水平和当地风俗习惯等差异，在桥墩型式的选择上也有差异[2]。本文根据大循高速公路项目一处百米高墩桥梁特点，通过受力特性、施工难易性以及经济性等方面进行综合分析，提出适用山区高墩桥梁的桥墩墩型、尺寸。

1 桥墩比选

本文以大循高速公路项目一处百米高墩桥梁工程为依托，主要对60～110m区间的墩高选型进行探讨。该百米高墩桥梁位于分离式的路基段落，处在大力加山的垭口向东南大概6.2km处。桥梁位置所处地貌属于河流冲积地貌，微地貌为河床，现沟谷呈“U”字型。桥位跨越冲沟，河谷内常年流水，水量受季节影响较大。跨越沟底段地势较为平坦。左幅中心桩号为ZK9+974.358，左偏角度90°，桥梁长度564m；右幅中心桩号是YK9+826，右偏角度90°，桥梁长度564m，桥梁宽度是11m。该桥梁的上部结构为（3×40+8×40+3×40）m的预应力混凝土T梁，采用装配式施工工艺，第1联和第3联采用先简支后连续的结构体系，第2联采用先简支后墩梁固结的结构体系。该高墩桥梁左右幅各有13个墩柱，其中右幅墩柱高度依次为13.335m、37.707m、70.558m、94.039m、97.71m、104.182m、104.153m、100.725m、82.896m、61.068m、40.231m、21.522m、7.829m，左幅墩柱高度与右幅差异不大。桥台采用扩大基础，桥墩采用桩基础。根据已有的研究成果及成熟的施工经验，该桥高60m以内的桥墩墩型直接选定：墩高30m以内采用柱式墩（直径D=2m），墩高30～60m之间采用矩形空心墩（截面外轮廓尺寸5.5m×3m，内轮廓尺寸4.3m×1.8m）。本桥左右幅墩高60m以上共16个、从60～110m每10m范围内均有对应的墩，本文将针对这一高度范围的高墩选型进行探讨。

检索有关资料，对于百米左右的高墩，采用的型式多种多样，有双肢薄壁墩、圆形空心墩、矩形空心墩、圆端形空心墩、变截面矩形空心墩等[4]。本文对60～110m范围的高墩选用的墩型主要有：（1）变截面薄壁空心墩；（2）矩形空心墩；（3）双肢薄壁空心墩；（4）圆端形空心墩。对4种墩型在承载力、稳定性等力学性能方面进行对比分析，以便找出一定高度区间内力学性能合理的桥墩型式。

为了研究各种桥墩截面形式对结构稳定性的影响，在分析时设定桥墩顶面截面的面积大致相等。矩形空心墩外轮廓尺寸5.5m×3m，内轮廓4.3m×1.8m，面积8.94m2；薄壁变截面墩墩顶截面外轮廓尺寸5.5m×3m，内轮廓4.3m×1.8m，变截面按1∶80坡度四面放坡，放坡区段长度为墩高减去墩顶、墩底的实心段及实心段到空心段的渐变段长度,即(H-8)m长度内按1∶80坡度放坡；双肢薄壁空心墩单肢墩顶外轮廓尺寸3m×1.9m，内轮廓1.8m×0.7m，面积8.88m2，双肢距离1.7m；圆端形空心墩壁厚0.6m,面积8.96m2。各类型墩截面尺寸见图1。

图1 4种墩型截面尺寸

2 参数选定及模型建立

2.1 基本数据

上部结构：后张法预应力混凝土T形梁，主梁间距2.4m，桥面宽度12.0m；下部结构：预应力盖梁矩形空心墩/双肢薄壁空心墩/变截面空心墩/圆端形空心墩；汽车荷载：公路—级；结构重要性系数：1.1；设计车道数：双向4车道；设计车速：80km/h。

2.2 材料主要指标

预制主梁及横隔梁、湿接缝、封锚端、墩顶现浇连续段采用C50,桥墩采用C40混凝土。HRB335钢筋弹性模量2.0×105MPa，设计抗压强度280MPa，设计抗拉强度280MPa，强度标准值335MPa，各墩柱截面配筋率ρ=1%。混凝土主要指标见表1。

表1 混凝土主要指标

2.3 荷载取值

（1）自重荷载。本文应用Midas/Civil软件做出模拟分析，软件可以按照结构的体积和立方米重量自行计算出自重荷载。

（2）确定二期恒载。根据该桥梁的设计文件可以知道，桥面铺装设计了3层，由底部向上分别采用10cm厚度的聚丙烯纤维混凝土（C40）、改进型防水层（三涂FYT-1）以及9cm厚度的沥青混凝土。和自重荷载一样，给出其结构的体积和立方米重量形成均布荷载加载到主梁单元上。

（3）活载计算参数。汽车的冲击系数μ为0.3；汽车荷载制动力T的计算式为：（10.5×40×4+340）×2×10%=404kN；常年气温变化即均匀温度对上部构造受力影响分析，按温度上升26℃和下降29℃考虑；风荷载：设计基本风速28.6m/s，汽车组合桥面风速25m/s，施工阶段设计风速取20年重现期风速25.2m/s。

离心力系数：C=υ2/（127R）=802/(127×1000)=0.05。

荷载：自重、二期恒载、车辆活载、系统温度、梯度温度、汽车制动力。根据公路桥涵设计通用规范设计荷载组合，分析整座桥的承载力安全系数和稳定安全系数。

2.4 模型建立

根据实际工程中使用的桥型，选取4种墩型分别进行建模。上部结构是（3×40+8×40+3×40）m预应力混凝土T梁（装配式）；第1联和第3联采用先简支后连续的结构体系；第2联采用先简支后墩梁固结的结构体系；全桥上部结构采用5片T梁，主梁高2.5m，盖梁高2m。计算分析时考虑桥墩顶部橡胶支座的剪切刚度、墩柱本身抗弯刚度，不考虑地基土对结构的弹性作用，假设墩柱底面是理想固结点，采用Midas/Civil对第2联建立双幅模型，上部结构采用梁格法建模，下部结构采用空间杆单元模拟，全桥共4471个杆单元，4～10号墩墩梁固结，3、11号墩模拟为释放X、Y方向约束的一般支承，采用主从约束节点模拟节点连接性质，桥墩为变截面薄壁空心墩的有限元计算模型，如图2所示。

图2 变截面薄壁空心墩有限元模型

3 桥墩承载力和稳定性分析

3.1 桥墩承载力分析

承载力分析时考虑的荷载：自重+二期恒载+车辆活载+系统温度+梯度温度+汽车制动力。根据公路桥涵设计通用规范设计荷载组合。

表2给出了全桥采用4种墩时，3#～10#墩的各墩的最小承载力安全系数。不同墩高条件下的最小承载力安全系数曲线见图3。

表2 4种墩的最小承载力安全系数

图3 4种墩不同墩高条件下墩的最小承载力安全系数

由表2和图3可知，该桥梁设计为一种墩型时，墩高越小，桥墩的最小承载力安全系数越大，桥墩越安全；采用圆端形和矩形空心墩的墩身承载能力差别不大，采用变截面空心墩单墩承载能力最好，这三种墩在不同墩高情况下都能满足承载力要求，而双肢空心墩单墩承载能力在墩高百米以上时不能满足承载力要求；从承载能力而言，该桥梁60～104m高墩可采用变截面空心墩、矩形空心墩和圆端形空心墩。

3.2 桥墩稳定性分析

为确保高墩的稳定及安全，需要在高桥墩的施工及运营阶段都进行稳定性分析，并且做到严格控制，确保这两个阶段高墩的稳定性，高墩就是安全的[5]。采用Midas／Civil中的屈曲分析功能进行分析，桥梁分析计算的模型以实体桥梁结构尺寸为依据，上部主梁结构保持不变，下部桥墩结构会根据不同研究分析内容给予调整，主梁、桥墩都采用空间梁单元。选择单墩施工阶段和成桥施工阶段进行稳定性分析：考虑在施工各阶段可能发生的荷载情况，分析结构在最不利荷载组合下的稳定系数及失稳方向，将不同截面型式的桥墩稳定性进行对比。

3.2.1 单墩状态下不同型式桥墩的稳定性分析

建立4种类型不同墩高的单墩模型，进行单墩状态下屈曲稳定性对比分析。需考虑的荷载有：（1）墩身自重；（2）风荷载（包括桥墩横向风荷载、纵向风荷载）；（3）梯度温度荷载；（4）系统温度荷载（整体升温或者降温）。

在线弹性屈曲稳定分析中，一阶屈曲模态在实际工程中是最容易发生的，也是最具有工程价值的。所以，在整理数据时更加关注一阶屈曲模态下的稳定特征值。4种类型桥墩在相应的荷载工况下的一阶屈曲稳定特性值见表3，随高墩变化曲线见图4。

表3 单墩状态下4种类型墩的屈曲稳定特征值

图4 单墩状态下墩的屈曲稳定特征值随墩高变化曲线图

单墩状态下：墩身截面一定时，墩柱越高稳定性越差；截面面积相同时，圆端形空心墩稳定性好于矩形空心墩，墩高超过100m以上时，两者的稳定特征值都下降到10以内；双肢空心墩的稳定性在4类墩中最差，而且墩高超过80m以上时，稳定特征值迅速降低，对于100m以上高墩，其稳定性安全储备不足；保持矩形空心墩墩顶截面不变，调整墩身为按80∶1的坡比四面放坡成为变截面空心墩，可以很大程度上提高墩的稳定性，并且这种变截面墩随着墩身高度增大其稳定特征值降低缓慢，能够在较大墩高时依然保有较好的稳定性安全储备。

3.2.2 成桥状态下不同型式桥墩的稳定性分析

成桥后稳定性分析必须考虑的荷载有：（1）结构自重；（2）主梁上的二期恒载（包括护栏、桥面铺装）；（3）活载（汽车荷载）；（4）温度荷载（梯度温度和整体升降温）；（5）汽车制动力；（6）风荷载（墩的顺桥向和横桥向风荷载）。分别建立4类墩全桥模型进行成桥状态的稳定性分析。在Midas/Civil中，移动荷载分析和屈曲稳定分析不可以同时进行，因此，必须先对4类墩全桥模型进行移动荷载分析，分析出桥墩顶部轴向力的最不利影响线，然后把汽车荷载以静载形式加载到稳定分析的模型中进行屈曲稳定性分析，从而得出全桥的稳定性分析结果。通过汽车移动荷载分析可知，对全桥稳定性最不利的荷载加载位置是当移动荷载作用在边跨，并且使得边跨墩顶产生最大轴力影响线时的荷载加载位置。

表4 成桥状态下4种类型墩的一阶屈曲稳定特征值

成桥状态下：由于对全桥稳定性最不利的荷载工况下汽车荷载加载位置在边跨，所以边跨过渡墩即3#号墩的一阶屈曲稳定特征值比其他墩的都小，这里只比较4种类型墩成桥状态下3#墩的稳定性。圆端形空心墩、矩形空心墩稳定性较接近，且好于双肢空心墩稳定性；双肢空心墩一阶屈曲稳定特征值接近1，稳定性较差；较其他3类墩而言，变截面空心墩全桥模型的稳定特征值最大，稳定性最好。

4 经济性对比分析

选定的双肢薄壁空心墩、矩形空心墩、圆端形空心墩截面面积和截面配筋率差异不大，三者工程量大体相等，变截面空心墩平均截面面积比前三者稍大一些，其墩身混凝土和钢筋用量也比前三者稍多一些，所增加的用量约为全桥高墩整体混凝土和钢筋用量的1/5，墩身工程量的费用差距不是很大。影响桥墩施工经济性的关键因素是施工难易程度。双肢空心墩由于截面尺寸小，并且双肢之间需要加设系梁，比其他3类墩施工难度大、工艺复杂。矩形空心墩、变截面空心墩、圆端形空心墩均可采用液压爬模技术，施工速度快，质量容易控制，施工安全稳定。变截面空心墩不同墩高墩身外模只需截取模板，内模采用抽块式模板，模板调整简易便捷。

5 结束语

本文结合工程实际,以大力加山至循化公路项目百米高墩桥梁工程为依托，对桥梁高墩的选型问题作了分析和研究，在承载力、稳定性和经济性三方面做了对比分析，最终推荐60m以上高墩采用变截面空心墩，并给出了截面尺寸，可为同类工程提供参考。总之，桥梁高墩需要全面考虑结构的强度、刚度以及稳定性，并且结合结构的经济性和美观性，经过分析计算、对比研究和总结分析，找到符合工程实际的设计方案。