混凝土梁式桥桥墩选型方案研究

赵艳纳

(广西高速公路投资有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

在一般高速公路建设中，梁式桥由于设计简单、施工方便和维护容易，在公路尤其是高速公路中应用广泛[1]。桥墩形式有圆形双柱式墩、方形双柱式墩、实体墩、薄壁空心墩等[2]，但是具体选用的标准不够统一。目前广西高速公路的主要设计单位结合区内外多条高速公路桥梁设计中取得的经验并参考国内外同类桥梁的成功设计实例，对桥墩的选用情况如表1所示。

表1 主要勘察设计单位桥墩选择一览表

各设计单位选择标准不一，不利于标准化设计、标准化施工，不符合广西高速公路大发展时期的标准化要求，因此对梁桥桥墩形式的标准化已成为目前亟待解决的问题。本文结合目前广西区内外桥墩设计的实际情况，对混凝土梁式桥不同墩高的桥墩方案设计进行综合经济效益分析，得出相关的结论，达到在投资基本可控的前提下，统一墩台形式从而实现标准化施工、加快高速公路施工进度的目的。

1 不同桥梁墩柱形式的特点

圆形双柱式墩、方形双柱式墩、实体墩、薄壁空心墩的特点详见表2。

表2 梁式桥不同桥墩的特点一览表

2 各墩高情况下墩柱形式经济性分析基础

2.1 桥墩受力分析

桥梁墩台受力如表3所示[3]。

表3 桥墩受力分析表

2.2 桥墩配筋主要原则

桥墩选型和配筋主要遵循适用、经济的原则。

(1)桥墩配筋要求为主。根据上构计算的力按照《公路桥涵设计通用规范》[3]进行组合。

桥墩计算根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[4]第5.3条受压构件章节对墩身界面进行验算。

(2)墩柱配筋最小配筋率要满足规范要求。墩柱纵向主筋配筋最小配筋率满足桥涵设计规范[4]第9.1.12条规定；墩柱箍筋配筋形式和配筋率桥涵设计规范[4]第9.6条规定。

3 不同桥墩形式的经济性分析研究

本文采用常见的梁式桥30 m或40 m跨T梁桥桥墩在各种高度下各墩型的适用性和经济性进行比较。具体以设计速度为100 km/h，整体式路基为26 m宽，桥宽为2×12.75 m，桥梁上部构造为40 m的T梁为例，对墩高H=30 m、40 m和50 m及以上的各型桥墩进行经济分析。

3.1 墩高H=30 m

墩高30 m时，圆形双柱式墩、方形双柱式墩、矩形实体墩、薄壁空心墩均适用，均满足受力要求；矩形实体墩和薄壁空心墩外形尺寸基本一致，由于空心墩施工工艺复杂，在墩高30 m时并无优势。因此，采用圆形双柱式墩、方形双柱式墩和实体墩进行比较(见表4)。

根据表4分析，墩柱高度H=30 m、桩基长度按30 m计时，采用圆形双柱式墩、方形双柱式墩和实体墩进行比较：基础工程部分，由于方形双柱式墩和实体墩需要设置承台进行转换，方形双柱式墩和实体墩比双圆柱墩混凝土分别增加31.3%和34.9%，钢筋分别增加33%和44.8%，造价分别增加14.8和18%；下部构造部分，方形双柱式墩和实体墩比圆形双柱式墩混凝土分别增加20.7%和63.6%，钢筋分别增加71.3%和97.0%，造价分别增加34%和69.1%。因此，圆形双柱式墩经济性更好，墩高在30 m以内的墩柱一般选用圆形双柱式墩。

表4 墩高H=30 m时各墩型主要工程量比较表

3.2 墩高H=40 m

圆形双柱式墩由于以承压为主，抗折能力不足，因此墩高40 m时其稳定性已经难以通过设计要求，此时方形双柱式墩、实体墩、薄壁空心墩均满足受力要求。但由于薄壁空心墩钢筋施工复杂，措施费较高，在墩高40 m时并无优势，因此采用方形双柱式墩和实体墩进行比较(见下页表5)。

表5 墩高H=40 m时各墩型主要工程量比较表

根据表5工程量对比，墩柱高度H=40 m、桩基长度按30 m计时，采用方形双柱式墩和实体墩进行比较：基础工程部分，实体墩比双柱墩混凝土增加3.1%，钢筋增加3.3%，造价增加1.7%；下部构造部分，实体墩比双柱墩混凝土增加2.6%，钢筋增加7.3%，造价增加5.1%。同时，方形双柱式墩比实体墩施工进度快，因此在墩高40 m左右时选用方形双柱式墩较为经济。

3.3 墩高H=50 m

墩高50 m时，方形双柱式墩刚度已经接近受力极限，但实体墩、薄壁空心墩均能满足要求，因此采用矩形实体墩、薄壁空心墩进行比较。主要对比分析如表6所示。

根据表6工程量对比，墩柱高度H=50 m、桩基长度按30 m计时，采用实体墩和空心薄壁墩进行比较：基础工程部分，两种墩型基础基本一致；下部构造部分，空心薄壁墩比实体墩混凝土减少24.3%，钢筋增加3.6%，造价基本一致。如果桥墩基础采用摩擦桩，由于实体墩墩柱混凝土比薄壁墩多24.3%，相应要求桩基承载力更高，桩长更长，经济性更差，但是空心墩施工措施、施工工期费比实体墩多。因此，墩高50 m左右时，等截面的实心墩和薄壁空心墩经济性差不多，但由于空心墩施工较为复杂，受工程进度影响，同等条件下优先选用实心墩；而根据3.3测算，同等高度下方形双柱墩比实体墩更有优势，因此在受力满足的情况下优先选用方形双柱式墩。

表6 墩高H=50 m时各墩型主要工程量比较表

3.4 墩高50 m以上空心墩与实心墩综合经济分析

50 m以上的墩柱可采用实心墩或薄壁空心墩，由于实心墩混凝土体积较大，对地基承载力要求高，为减少自重和投资，实心高墩时一般采用变截面设计。以整体式路基24.5 m宽，桥宽2×12 m，桥梁上部构造为40 m T梁为例，对墩高50

3.4.1 结构尺寸对比

(1)空心薄壁墩结构尺寸如图1所示。

图1 薄壁空心墩尺寸结构图(cm)

(2)实体墩结构尺寸如图2所示。

图2 实体墩尺寸结构图(cm)

3.4.2 工程材料及费用对比

按照不同高度，以上述尺寸的一个墩为单位进行对比分析，具体如下：

3.4.2.1 空心薄壁墩材料

空心墩墩身每方混凝土的钢筋具体用量为：HRB400 234.2 kg/m3；劲性骨架30.7 kg/m3；钢板3.5 kg/m3。根据钢筋含量估算不同墩高的材料用量，具体结果如表7所示：

表7 不同墩高条件下薄壁空心墩材料用量对比表

3.4.2.2 实体墩材料

为满足抗裂性和刚度要求，墩高越高实体墩需要的钢筋越多，按实体墩墩身每m2混凝土钢筋HRB400、178.5 kg/m3估算。不同墩高的材料用量估算见表8。

表8 不同墩高实体墩材料用量对比表

3.4.2.3 费用对比

50 m以上高墩按照实体薄壁墩1 128元/m3，劲性骨架7 754元/t，钢筋6 113元/t计算；空心墩高≤70 m的混凝土单价为1 143元/m3，钢筋为6 113元/t，模板提升架按照28 690元/墩计算。空心墩配施工电梯和塔吊考虑，如每处按4个月施工周期计算，651 536元/墩(上述单价参考桂林至柳州高速公路改扩建)。具体费用测算结果见下页表9。

表9 不同墩高空心薄壁墩与实体墩费用对比表

综合以上分析，不涉及桩基承台变化时，55 m的实心墩施工费用比空心墩高38%左右；随着高度的增加投资将持续攀升，高度70 m的高墩采用实心墩比空心薄壁墩增加投资约56%，加之薄壁墩对于基础要求不高，故对于>50 m的高墩一般选用空心薄壁墩。

4 结语

根据上述论证，同时结合区内外桥墩设计情况、投资影响及综合效益各项分析，对于一般地质情况下的桥梁，梁式桥桥墩形式建议要求如下：

桥墩高度<30 m时，建议采用圆形双柱式墩。

墩高为30～50 m时，建议采用方形双柱式墩。

墩高≥50 m时，建议采用薄壁空心墩。