铁路桥梁实心高桥墩可靠度和混凝土结构设计研究

摘要：简述某道路工程概况及其第二节路段需采用高速液压夯实技术进行施工的情况，在简要介绍高速液压夯实机结构和功用的基础上，详细阐述了画线布置夯实点、夯锤点位校准、正式夯击施工等方面采用高速液压夯实技术进行路基施工的要点。试验验证结果显示，采用高速液压夯实技术进行路基夯实，该段高填路基夯实后的沉降量完全满足相关规范要求，路基质量得到了显著提高，具备承受车辆和自然因素负载能力，能够保证交通的安全和顺畅。

关键词：铁路桥梁工程；实心高桥墩；结构设计；可靠度；抗压强度

0" "引言

墩柱作为桥梁结构的支撑要素，其施工质量和技术水平的高低直接关系到桥梁的安全性和承载能力[1]。实心高桥墩是指将整个桥墩的内部设计为实心结构的一种较高的桥墩。这种桥墩具有结构稳定性好、抗震性强等优点。铁路桥梁工程采用实心高桥墩，能够有效提高铁路桥梁的承载能力和使用寿命，从而提高铁路运输的安全性和运行效率。

研究实心高桥墩施工技术，对进一步提高铁路桥梁的承载能力和使用寿命具有重要的指导意义，对推动铁路运输持续发展具有重要的实践价值[2-3]。为此，本文提出了一种高效可行的铁路桥梁实心高桥墩混凝土结构的设计和施工方法。

1" "实心高桥墩的定义和特点

实心高桥墩是指具有一定高度且无空心结构的桥墩，其主要用于支撑桥梁的上部结构，起到传递桥荷载、支撑铁路线路的作用。在施工过程中，需按设计要求将实心高桥墩的内部空间填充为实心结构。

在铁路桥梁工程中，实心高桥墩具有结构稳定性好、抗震性强等特点。实心高桥墩在铁路桥梁工程中具有重要作用，它不仅可以增强桥墩的稳定性和抗震能力，还可以有效提高桥梁的承载能力和使用寿命，从而提高铁路运输的安全性和运行效率。

2" "实心高桥墩结构可靠度分析

2.1" "结构可靠性及其功能

实心高桥墩的结构可靠性需满足以下4个方面功能：一是安全性能，即在极限破坏状态下，实心高桥墩的结构强度应能够承受形变、局部损坏和震动而仍然不被破坏的能力；二是承载性能，即在极限承载情况下，实心高桥墩的结构可以继续保持整体平衡和稳定；三是适用性能，即在正常使用过程中，实心高桥墩的结构可适用其设计范围的各种用途；四是耐久性能，即在正常维修和养护条件下，实心高桥墩的结构应达到乃至超过设计使用寿命并满足各项功能要求[4]。

2.2" "结构工作状态分析

实心高桥墩结构在施工或使用过程中，可能处于失效状态或者是可靠状态，桥梁安全性评定需要判断结构的失效状态与可靠状态的阈值，这个阈值就是结构的极限状态。

如果结构的随机变量用来表示，结构工作状态的函数用 表示，其函数可表示为下列公式：

式中：Z为结构工作状态函数代号，g（X1，X2，…，Xn）为结构工作状态函数。当g（X1，X2，…，Xn）=0时，称为极限状态方程。实心高桥墩结构工作状态如图1所示。

2.3" "结构可靠度分析

实心高桥墩结构可靠性可用结构可靠度来表示。结构可靠度也就是结构在规定时间和条件下完成设计需求的概率。同理，结构不能在规定时间和条件下完成设计需求的概率，则称为失效概率。结构可靠度与失效概率是互补的，可表示为下列公式：

式中：Ps为结构可靠度，Pƒ为失效概率。为了简化计算过程，结构可靠度通常以失效概率来衡量。结构的随机变量为X1，X2，…，Xn，所以结构的失效概率函数为ƒx（x1，x2，…，xn），结构失效概率则可表示为下列公式：

如果结构的随机变量表示为R，荷载效应随机变量表示为S，且R和S相互独立，结构工作状态函数可表示为下列公式：

3" "铁路桥梁实心高桥墩混凝土结构设计研究

3.1" "试验方案设计

为了更加准确地研究铁路桥梁实心高桥墩混凝土的偏压力学特性，必须确保构件的尺寸必须合理。若尺寸过大，可能会导致弯曲变形；若尺寸过小，端部效应也会产生较大影响。上述情况均不能完全反映出混凝土支柱在偏压作用下的力学特性。对于混凝土支柱，该试验取试件的长径比L/D＜4进行研究[5]。

该试验共分为两组，分别测试混凝土支柱和实心高桥墩在偏心受压下的力学性能和破坏模式。这次试验选择不同管径的无缝钢管，其规格分别为Ø180×8mm和Ø194×8mm。钢管的屈服强度均为255MPa左右，外面涂有灰色防锈漆，且都灌注C40混凝土。实心高桥墩试件参数如表1所示。表1中D表示直径，T为厚度，L为长度。

3.2" "混凝土及其配合比的选择

为了充分研究混凝土实心高桥墩混凝土结构特性和工作性能，该试验采用C40级别的混凝土进行试验，以确保其可靠性和耐久性[6]。

3.2.1" "水泥

当选择水泥作为混凝土支柱的材料时，必须考虑其质量、速凝剂的特点和实际供应情况，并且确保其标号不低于42.5号。同时，必须避免使用已经过期、受潮结块或混合的水泥。试验所用混凝土选用42.5号普通硅酸盐水泥。

3.2.2" "砂子

在选择砂子时，应特别注意其中的云母、硫化物、泥沙以及压碎指标，这四种因素会严重影响混凝土的强度以及对钢管的腐蚀性。根据《建筑用砂》（GB/T14684—2022）的相关要求，应使用优质的中砂作为细骨料，其含泥量应低于2%，细骨料的细度模数应在2.2～3.0之间，其平均粒度应在0.05～0.5mm之间。

3.2.3" "石子

为了提高混凝土输送泵的工作效率，宜选择坚硬的河卵石或碎石。这些材料具有较高的强度和光滑的表面，可以减少管道的摩擦，从而有助于远距离输送混凝土、降低堵塞的风险。相比之下，碎石的表面粗糙且多棱角，会对管道造成严重的磨损，因此应尽量避免使用。参考《建设用卵石、碎石》（GB/T14685—2022）中有关规定，选用级配合理、粒径10～20mm的坚固、洁净卵石作为粗骨料。

3.2.4" "水和膨胀剂

为了保证水泥的正常凝结和硬化，所选水质必须保持清洁，不含任何有害物质。在水泥硬化过程中，掺入膨胀剂可以有效地抵消收缩应力，减少混凝土中的孔隙和毛细孔径，从而提高混凝土的密实性，进而有效防止混凝土发生干缩。

3.2.5" "减水剂

通过添加适当的减水剂，可以大大提升混凝土的流动性和强度，使其结构更加牢固。同时也能够有效地节省水泥的消耗，从而达到良好的抗压强度。此次选择的减水剂为聚羧酸高效减水剂。

3.2.6" "配合比

试验混凝土选用标号为42.5的普通硅酸盐水泥进行C40混凝土的配制，粗骨料采用质地坚硬、洁净、粒径为10～20mm的卵石，细骨料的细度模数为2.2～3.0、平均粒径为0.35～0.5的优质河砂（中砂），并添加聚羧酸高效减水剂。混凝土中，水泥、砂子、石子、水、减水剂的配合比为1：1.55：2.144：0.35：0.003：0.05，按照《混凝土膨胀剂》（GB23439—2017）有关规定，选择的膨胀剂为I型。混凝土配合比如表2所示。

3.3" "试件和试块制作

3.3.1" "试件混凝土浇筑

在地面上铺设一块钢板，并将钢管放置于其上，然后从钢管上部浇筑配置好的混凝土。在浇筑过程中，应使用插入式振捣棒对浇筑后的混凝土内部进行振捣，并在外部进行敲击。混凝土浇筑完成后，使用高强度的水泥砂浆将混凝土表面抹平，以保证混凝土在受力初期就能够共同承受压力。

3.3.2" "试块混凝土浇筑

按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2019），混凝土试块的标准尺寸为150mm×150mm×

150mm，每组试块为3块。进行试件混凝土浇筑的同时，采用同一批混凝土制作混凝土试块，保证试块的密实度、表面平整光滑、无气泡和裂纹等缺陷。

3.3.3" "试块的养护

在钢管混凝土试件浇筑完毕之后，采用自然养护方式，将其与混凝土试块同时进行养护。将其所处的环境温度控制在20±3℃，相对湿度控制在95%以上，在上述条件下养护28d。

4" "抗压强度试验与分析

4.1" "抗压强度试验方法

混凝土试块养护期结束后，在2000kN压力试验机上进行试验。该型压力试验机的最大试验压力为2000kN，试验精度级别为1级，上、下承压板之间的最大距离为320mm，压盘尺寸为370mm×400mm。将混凝土试块与该压力试验机上、下承压板的中心线对齐，以保证试块不会受偏心压力影响。从零开始逐步对混凝土试块进行逐级增压加载，一直加到试块的轴向变形达到预计值为止。

根据试块尺寸和混凝土配合比，预计试块的极限承压能力在750～800kN之间。为了更准确地测量试块的极限抗压强度，采用分级加载的方式，每级加载的荷载都是预计荷载的1/10。在试验过程中，通过监测压力试验机的压力变化来获取精确的试验结果。通过使用压力试验机缓慢施加压力，直至混凝土试块受到严重损坏，然后确定其极限抗压强度。

4.2" "抗压强度试验结果

经过试验得出该组试块的极限承载力分别为75.68kN、744.31kN和798.58kN。得出这组数据后，计算出每个试块的抗压强度。混凝土立方体试块的抗压强度按下列公式计算：

式中：ƒC为混凝土试块抗压强度（MPa），F为混凝土试块破坏荷载（N），A为混凝土试块承压面积（mm2）。经计算，每个混凝土试块的抗压强度分别为37.6MPa、37.2MPa和39.9MPa。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2019）规定，每组混凝土试块抗压强度的中间值与其他两个值之差均未超过中间值的15%，取3个值的算术平均值。经计算，得到该组试块的抗压强度平均值为38.2MPa。混凝土试块参数及抗压强度试验结果如表3所示。

4.3" "分析试验结果

按照《混凝土强度检验评定标准》（GB/T50107—2010）规定，混凝土强度等级大于C20的混凝土，其强度合格评定系数为95%。C40混凝土试块加载试验的抗压强度平均值为38.2MPa，其合格评定系数达到了95.5%，达到了该标准的规定，由此说明本文研究的实心高桥墩结构设计具有可靠性和可行性。

5" "结束语

本文以铁路桥梁的实心高桥墩为研究对象，介绍了实心高桥墩的定义和重要性，探讨了铁路桥梁工程实心高桥墩的可靠性和可靠度，针对实心高桥墩的混凝土结构进行了设计和研究，取得了预期的研究成果。今后将进一步加强铁路桥梁工程可靠度和强度方面的研究，为有效提高铁路桥梁的承载能力和使用寿命继续进行深入探讨。

参考文献

[1] 卢宝艳.高速铁路桥梁连续梁工程施工技术要点探究[J].工程机械与维修，2022（3）：230-232.

[2] 路文超.高速铁路桥梁工程中的连续梁工程施工工艺[J].工程机械与维修，2021（6）：76-77.

[3] 李毅超.实心高桥墩施工技术在新内马铁路桥梁项目中的应用[J].工程技术研究，2023，8（3）：53-55.

[4] 董亮.铁路桥梁实心高桥墩施工技术[J].山西建筑，2016，42（14）：166-168.

[5] 郭栓虎.收分高桥墩变截面实心矩形墩滑模施工技术[J].科学之友，2012（8）：68-69.

[6] 彭彦彬，孔德芒.高寒地区高桥墩冬季施工技术[J].铁道建筑，2008（6）：20-23.

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