? 铁路高墩大跨连续刚构双肢薄壁墩设计关键技术研究王树旺 (中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600) 摘 要：结合新建和邢铁路宋家庄川特大桥主桥(60+2×100+60) m连续刚构工程,从桥式方案比选到墩形选择进行充分论证,对控制刚构设计的墩身合理尺寸、刚度、动力特性、对顶力、施工及成桥状态稳定等关键技术进行计算分析,总结一套较完整、切实可行的设计思路和方法,阐述双肢薄壁墩的特点及应用范围。 关键词：铁路桥；连续刚构；双肢薄壁；对顶力；刚度；动力特性；稳定 1 概述目前，高墩大跨连续刚构因其受力好、无支座、施工技术成熟、行车顺畅且适应性强等优点在普铁、客运专线及高铁桥梁跨越高山深谷、河流灌渠时得到广泛应用，并朝轻质、高强及新型组合结构方向发展。随着预应力、悬臂技术以及桥墩翻模、滑膜施工技术的发展[1]，200 m以内跨径的铁路连续刚构桥梁设计已非常普遍，且墩高由几十米做到了上百米，表1收集了国内具代表性的铁路高墩大跨薄壁墩连续刚构桥资料[2，3]。 2 工程背景及桥式方案2.1 工程背景新建和邢铁路为Ⅰ级单线铁路，设计荷载为中-活载，速度120 km/h。主桥主梁截面形式为单箱单室变高度箱梁，箱梁顶宽7.4 m，箱梁底宽5.4 m，主墩处梁高7.5 m，边墩处梁高4.5 m。主桥桥位处跨越宋家庄川，位于野沟门水库下游约1.2 km处。野沟门水库控制流域面积518 km2，总库容5 040万m3，设计洪峰流量为4 025 m3/s，设计水位为402.9 m。 2.2 桥式方案桥型选择应根据桥位处地形、地貌及水文等条件，按照受力合理、技术成熟、安全经济、利于养护且与周围环境协调等原则进行。本桥桥位处地形地貌复杂，高差约87 m，宋家庄川河底至线路最大高程达90 m，河道成U形，百年水位水面宽约175 m，由于线路与沟底高程相差大，且U形河道底较宽，需采用约200 m高墩、大跨度结构跨越，如果采用钢桁梁或拱桥方案，主桥跨度势必过大，且墩高较高，对结构受力不利，另外，两种方案经济性差，不便施工，临时工程量大，工期难得到保证，后期维护费用高。故本桥仅对64 m简支箱梁造桥机方案及连续刚构方案从施工方法、施工工期、造价等方面进行比选，见表2。 表1 国内铁路高墩大跨薄壁墩连续刚构资料 m  项目南昆铁路内昆铁路襄渝二线宜万铁路渝怀铁路遂渝铁路广珠城际铁路温福客运专线武广客运专线石太客运专线太中银铁路桥名跨径桥墩构造形式最大墩高纵向壁厚喜旧溪河大桥56+88+56双肢薄壁60.08.01.5清水河大桥72+128+72矩形空心墩100.08.01.1乌家坪1号大桥56+88+56双肢薄壁75.06.21.8李子沟大桥72+3×128+72矩形空心墩107.08.01.1牛角坪特大桥100+192+100矩形空心墩98.011.01.3渡口河特大桥72+128+72矩形空心墩128.08.01.2井口嘉陵江特大桥84+144+84矩形空心变圆端96.09.01.5新穿井坝涪江特大桥68+128+68矩形空心70.08.01.8桐子林嘉陵江双线大桥98+168+92双肢薄壁56.09.52.5小榄水道特大桥100+155+100双肢薄壁20.64.01.8田螺大桥88+160+88双肢薄壁32.08.01.5流溪河特大桥94+168+94双肢薄壁22.38.02.5黑水坪特大桥48+3×80+48矩形空心墩61.08.01.2跨河口庙水库特大桥96+168+96矩形空心墩85.09.01.5 注：表中“纵向”对双肢薄壁墩指双肢中心间距，对矩形空心墩指墩纵向宽度。 表2 桥式方案比选  项目连续刚构方案简支箱梁方案桥式方案15-32m简支T梁+(60+2×100+60)m连续刚构+4-32m简支T梁9-32m简支T梁+9-64m简支箱梁+1-40m简支箱梁全桥长/m953.305945.01施工方法挂篮悬臂施工节段预制造桥机拼装施工临时设施少多施工工期/月1210.5总造价/万元6354.46142.8优缺点优点:河中墩少,行洪通畅;桥高与跨度协调,整体美观缺点:工期较长;造价较高优点:造价较低,施工工期较短;缺点:临时设施较多;墩高跨小,尺寸大,与自然景观不协调 相对64 m简支箱梁造桥机方案而言，连续刚构方案外观简洁明快、美观，临时设施少，施工技术相对成熟，综合考虑后确定采用刚构方案，主桥桥跨布置见图1。  图1 主桥桥跨布置(单位：cm) 3 设计特点及重难点高墩大跨连续刚构具有墩高、联长、温度跨度大等特点，设计时须考虑以下几个重点要素[4，5]：(1)应使其具有适当的纵向抗推刚度，以适应纵桥向温度、混凝土收缩徐变等引起的变形，同时应使其具有较大的抗弯刚度以满足其自身的受力需求；(2)应具有一定的横向刚度，抵抗横向列车荷载及风荷载，减小侧向位移，提高行车舒适性；(3)桥墩应满足安全稳定性；(4)墩型应与周围环境相协调、方便施工。 4 桥墩形式研究国内铁路高墩大跨刚构桥墩大多采用双肢薄壁与单体空心墩，双肢薄壁墩与单体空心墩相比，一般而言，单体空心墩特别是箱形截面的抗扭性能好，抗推能力强，但其柔性不如双肢薄壁墩。双肢薄壁墩综合抗弯刚度大，而水平抗推刚度约是单体墩的1/4[3]，温差引起的温度力较小，墩身允许的水平位移较大，整体性好，当跨度大、墩高较高时，考虑到施工中墩的稳定性，一般宜设置系梁[6]。此外，双壁墩减小了跨径，对负弯矩的消峰能力强一些，能有效降低梁高。但随着墩身高度的不断增加，单体空心墩的柔性逐渐增强，允许的纵向变位也随之增大，且单体空心墩施工及成桥状态稳定性要高于双肢薄壁墩，因此，当墩高不高时常采用双肢薄壁墩，墩高较高时结合受力、稳定、环境等综合因素采用双肢薄壁墩或单体空心墩。 本桥对主墩单体空心墩及圆端形双肢薄壁墩从水平抗推刚度及抗弯刚度方面进行了比较分析(图2)，分析结果见表3。结果表明，在两种墩型混凝土用量相当下，单体空心墩水平抗推刚度为双肢薄壁墩的1.55倍，而抗弯刚度为双肢薄壁墩的0.7倍。本桥温度跨度达100 m，采用单体空心墩对梁根部应力影响较大，最小拉应力为-2.2 MPa。经考虑后采用圆端形双肢薄壁墩，其水平抗推刚度较小，双肢间距拉开能有效减小主梁根部负弯矩，改善梁体受力。且本桥跨越宋家庄川，圆端形双肢薄壁墩对水流有利。 表3 单体空心墩与双肢薄壁墩比较结果  墩形水平抗推刚度/(kN/cm)抗弯刚度/(kN/rad)混凝土方量/m3单体空心墩970.9142857.12656.1双肢薄壁墩632.9200000.02778.6  图2 主墩横截面(括号内数字为墩底截面尺寸)(单位：cm) 5 设计关键技术5.1 主墩截面参数(b、H)的确定(1)墩纵向宽度b 根据表1收集的国内已建高墩大跨连续刚构资料及文献[3]可知，墩纵向宽b一般为0.2～0.4[3]倍中墩处梁高，本桥分别对墩宽b=1.5、2.0、2.5、3.0 m时分析其对主梁及主墩的影响。对比结果见表4、表5。 表4 墩宽度变化对主梁的影响  墩宽b/m弯矩/(kN·m)上缘最小应力/MPa下缘最小应力/MPa边跨主墩中跨边跨主墩中跨边跨主墩中跨1.538093120778493934.04.46.82.61.52.02.037175124883484634.44.14.01.91.42.02.536701127646479924.24.04.13.01.31.93.036445129284477474.34.06.03.01.21.9 注：表中“边跨”、“主墩”、“中跨”分别指边跨跨中截面，主墩处截面、中跨跨中截面对应结果。 表5 墩宽度变化对主墩的影响  墩宽b/m墩底弯矩/(kN·m)墩底轴力/kN边跨侧肢中跨侧肢边跨侧肢中跨侧肢1.5218061927384832686282.0282072248292400832702.5426702649099634970713.06123534352106475109711 从表4中可以看出，墩宽从1.5 m变化到3.0 m时，主墩处主梁弯矩增加约7%，边跨跨中及中跨跨中增加约5%，变化不是特别明显。墩宽从1.5 m变化到3.0 m时，对主梁应力影响也较小。由此可见，墩宽变化对主梁内力、应力影响不大，设计时可仅从墩柱自身受力角度来考虑。 从表5中可以看出，墩宽从1.5 m变化到3.0 m时，墩底弯矩最大增加近3倍，随着墩宽的增加，主墩的刚度也随之增大，主墩受力也相应增加，故设计时应在主墩自身满足受力及变形的前提下，尽量减小主墩纵向宽度[7]。经计算，本桥主墩纵向宽度采用2.2 m较为合理。 (2)墩纵向间距H 主墩间距一般与根部梁高基本一致，本桥主墩间距H根据施工悬臂状态最大不平衡弯矩ΔM来确定[8]。  式中，a为横向宽；b为顺桥向宽；H为墩间距；W为墩柱截面惯矩；fct为混凝土容许拉应力。本桥a=10 m，b=2.2 m，fct=3.3 MPa(C40混凝土)，施工最大不平衡弯矩考虑一个节段浇筑差+一侧悬臂5%梁体不均匀自重+挂篮掉落组合工况，ΔM=104 243 kN·m，初定H=6 m。
 W>W′满足要求。 5.2 纵横向刚度及动力特性目前，国内铁路规范未明确刚构桥纵横向刚度限值，为满足列车行车安全及乘客乘车舒适度，参见《桥规》[9]对墩顶顺桥向弹性水平位移Δ≤ 表6 墩顶纵横向位移 mm  墩号横向位移纵向位移横向容许位移纵向容许位移主墩1102931.038.7主墩2163240.050.0主墩3103031.038.7 刚构横向自振特性参照南昆铁路四桥设计要求(铁道部建鉴[1992]93号文“关于南昆线四座大桥横向刚度的补充技术要求”)，以其横向自振周期(第一振型)T=1.7 s控制。本桥横向自振周期T=1.64 s，满足要求。 5.3 对顶力主梁在中跨合龙后，由于混凝土长期收缩徐变影响，将在墩柱中产生很大的次内力，为改善结构受力、优化结构尺寸，提出在合龙前对梁体施加水平对顶力，可有效降低墩身及基础后期的内力，对改善桥墩和基础的受力效果显著[10]。经计算，本桥在成桥后运营阶段主梁钢束及混凝土收缩徐变[11]在墩底产生的二次力为13 200 kN·m，通过推算需施加约2 000 kN的水平顶力来抵消此弯矩。注意施工时应采取位移及顶力双控，且顶力应逐级施加。 5.4 施工及成桥稳定利用有限元软件Midas Civil对主桥施工最大悬臂状态及成桥状态进行屈曲稳定分析[12]，施工阶段荷载工况：自重+节段浇筑差+5%梁体重+挂篮掉落。成桥状态荷载工况：自重+二恒+风+列车活载，结果见表7。 表7 施工及成桥状态屈曲稳定结果 结构状态最大悬臂成桥阶数特征值屈曲模态140.0纵向侧倾261.4纵向侧弯397.6横向侧倾152.0纵向弯曲268.0纵向弯曲371.5纵向弯曲 从表7看出，在施工最大悬臂状态及成桥状态下，屈曲稳定特征值均较大，满足要求。 6 结语通过对连续刚构双肢薄壁墩关键技术研究和分析得出： (1)双肢薄壁墩水平抗推刚度小，在跨度较大、主梁应力控制设计时可考虑此墩型。 (2)通过主墩受力及施工状态最大不平衡弯矩确定双肢薄壁墩墩宽及间距切实可行。 (3)对大跨刚构成桥后运营状态下主梁钢束及混凝土收缩徐变产生的二次力，通过施加永久顶力来抵消，可大大降低主墩受力，进而优化主墩构造及尺寸。 (4)应使刚构具有一定的纵横向刚度，以满足行车安全及舒适度要求。 (5)当墩高较高时，应对双肢薄壁墩施工及运营阶段的稳定性进行分析，防止主墩失稳。 参考文献： [1] 马保林.高墩大跨度连续刚构桥[M].北京：人民交通出版社，2001. [2] 李圣慧，曹淑上.高墩大跨连续刚构桥及其双肢薄壁高墩计算分析[J].城市道桥与防洪，2007(5):160-163. [3] 韩嫁春.高速铁路无砟轨道大跨度连续刚构设计[J].交通科技，2007(4):7-9. [4] 彭元诚，方秦汉，李黎.超高墩连续刚构设计中的关键技术[J].桥梁建设，2006(4):30-33. [5] 陈仕刚，吴先树.超高墩连续刚构主墩形式研究及关键技术[J].公路，2012(5):104-108. [6] 李艳明，王留洋.空心墩和实心墩对连续刚构桥受力影响的比较[J].铁道标准设计，2005(6):63-65. [7] 莫利君，陈华，李益小.大跨度连续刚构桥双薄壁墩结构参数分析[J].西部交通科技，2014(9):31-34. [8] 徐君兰，顾安邦.连续刚构主墩刚度合理性的探讨[J].西部交通科技，2005(2):59-62. [9] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005. [10]寇延春.温福铁路田螺大桥设计[J].铁道标准设计，2005(11):25-28. [11]杨春立.津滨轻轨预应力混凝土连续刚构桥设计研究[J].铁道标准设计，2003(8):16-18. [12]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1983. Key Techniques for the Design of Double-leg and Thin-wall Piers of Railway High-pier and Large-span Continuous Rigid Frame BridgesWANG Shu-wang(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China) Abstract： Based on the newly-built continuous rigid frame bridge project of Songjiazhuangchuan extra-long bridge with a main bridge of (60+2×100+60) m on Heshun-Xingtai Railway, this paper fully verifies its scheme selection in perspective of bridge type and pier type, analyzes the key techniques for rigid frame design such as reasonable size of pier body, rigidity, dynamic property, jacking force, construction and bridge stability, summarizes a complete set of comprehensive and practical design concept and method, addresses the characteristics and applications of double-leg and thin-wall piers. Key words： Railroad bridge; Continuous rigid frame; Twin-legged thin-wall; Jacking force; Rigidity; Dynamic property; Stability 中图分类号：U443.22 文献标识码：A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.017 文章编号：1004-2954(2016)02-0081-04 作者简介：王树旺(1983—)，男，工程师，2006年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学学士，E-mail：172543602@qq.com。 收稿日期：2015-06-23； 修回日期：2015-06-27 |
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