浅谈高速铁路双线空心桥墩的设计

摘要：从高速铁路双线空心桥墩的两种常用墩型的比较入手，介绍了双线圆端形空心桥墩和双线矩形空心桥墩各自优缺点及适用范围，归纳了影响桥墩尺寸的主要因素，论述了两种墩型检算不同点及地震检算时柔度系数的选取，总结了墩身设计中的一些规律，阐述了高铁双线空心墩参考图的设计流程及其主要控制点。

关键词：高速铁路、双线空心墩、设计

中图分类号：S611文献标识码： A

1、概述

山区高速铁路建设中，由于曲线半径以及线路纵坡的限制，常需跨越冲沟及U形深谷。受力性能好、纵横向刚度大又可显著节省圬工的空心墩越来越多地应用于高速铁路高墩工程实践中。根据墩身截面形状的不同，高速铁路空心桥墩常分为双线圆端形空心墩和双线矩形空心墩。双线圆端形空心墩，造型流畅，简洁美观，可减少水流冲刷的影响，适用于景观要求高的城市及跨河桥梁(如图1)。双线矩形空心墩，造型稳重，坚固实用，不利于水流冲刷，适用于对景观要求低的山区旱桥;在工程实践中，为了满足美观要求以及减少水流冲刷的影响，常将矩形空心墩的四个角做成倒圆弧的型式(如图2)。矩形空心墩较之同刚度的圆端形空心墩具有墩身尺寸较小，圬工量更省，模板倒用率高，较省模板等优点，更适用于山区旱桥的建设。为了提高工作效率及设计质量，实现标准化设计，通常采用编制通用参考图的办法对桥墩进行系统性设计。本文拟对高速铁路双线空心桥墩参考图的设计要点进行论述。

结构尺寸的拟定

高速铁路桥梁对结构刚度、变形及基础沉降的要求比普通铁路更为严格，同时，还要满足《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006的相关要求。这样，就要求桥墩纵横向线刚度要适配，墩身水平线刚度过大，地震力会增大，墩身钢筋会增多，造成圬工浪费;若墩身水平线刚度过小，虽节省圬工，但基础配置会很困难，这就要求桥墩设计时要结合以上各个因素进行综合比选。

2.1墩顶尺寸的拟定

墩顶外形与梁形有很大关系，高速铁路常匹配箱梁，因箱梁支承中心距一般较小，根据箱梁的构造以及架设特点，墩顶常采用无顶帽设计。故首先应拟定墩顶尺寸，因为墩顶尺寸拟定好后，墩颈尺寸也随之确定，而墩身结构形式的合理与否与其顶部的尺寸密不可分。墩顶尺寸的拟定主要应根据所采用的梁形、线间距、支座尺寸、支承垫石大小、维修养护需要、施工时架梁需要及支承垫石边缘距墩顶边缘的最小距离等，在满足相关现行规范要求的前提下，来拟定墩顶尺寸。此外，常在墩顶设置50cm深的凹槽，留出满足梁底的养护维修净空，让检查人员可以方便地从梁底下到墩身内部。

2.2墩身尺寸的拟定

根据对空心墩的研究，墩身水平线刚度是桥墩设计的主要控制因素，墩顶尺寸、墩身内外边坡、墩颈壁厚等均为影响墩身线刚度的重要因素。按对墩身刚度的贡献由大到小的排列顺序为：墩颈纵向尺寸>墩身外坡率>墩身横向尺寸>墩身内坡率>墩颈壁厚。故合理选择墩身刚度与基础刚度的比例关系，是影响桥墩尺寸的重要因素。如墩身刚度过小，必须加大桩间距以获得较大的基础刚度 ;而墩身刚度过大，较大的墩身尺寸会引起桩基工程量增加，造成墩身刚度的浪费。比如《高速铁路设计规范（试行）》中规定32m跨度墩顶双线最小纵向水平线刚度为350KN/cm，在参考图设计时，笔者认为在墩顶纵向刚度相近的条件下，综合各方面因素，墩身纵向最小水平线刚度按800 KN/cm左右控制，墩身横向最小水平线刚度按不小于1600 KN/cm控制比较合理。在选取了墩身与基础的合理刚度比后，通过调整墩颈尺寸、墩身内外边坡、壁厚等达到理想线刚度，使墩身设计经济合理。

空心墩包括上、下实体段、上下倒角、空心墩身、墩壁通风孔等。墩顶底设置一定高度的实体段以及空心与实体交接处梗斜的设置，是为了使应力更好的传递与分布。

空心墩高一般从30m~60m不等，通过合理分级达到模板种类少，圬工量相对合理，方便施工的目的，设计中首先应确定墩身分级，分级过小，墩身圬工节省，但模板种类多，施工不便。分级过大，模板种类少但造成墩身圬工浪费。参考图设计时根据对比分段，通常按10m高度分级设计，如H=30～39m、H=40～49m、H=50~60m三个墩高段分别设计,墩身坡度采用一坡到底，每级采用相同坡率，用同一级别的最高桥墩按最小墩身线刚度要求来拟定本段墩身尺寸。为节省模板，方便施工，不同墩高级别常采用不同的墩顶尺寸，相同的墩身内外边坡率。

由于双线空心墩纵横向尺寸较大，一般同一种跨度的直线、曲线桥墩常合并设计，采用相同的墩身尺寸。

2.3检查设施

墩顶设置围栏和吊篮，墩底不设进人洞，墩内设置检查爬梯。

桥墩检算

按《铁路桥涵设计基本规范》，目前双线空心墩多为厚壁结构，墩颈处壁厚不小于0.5m。本文仅针对厚壁空心墩而论。需要作稳定性、墩身强度、线刚度、位移、地震力等相关检算。

3.1稳定性

空心墩应进行整体纵向稳定性及局部稳定性检算，值得注意的是圆端形空心墩与矩形空心墩在局部稳定性检算上有所不同。

矩形空心墩采用如下公式保证空心墩墩身的局部稳定:

t——墩壁厚度；B——为所取墩壁厚度对应边的中面长度。

圆端形空心墩采用如下公式保证空心墩墩身的局部稳定:

t——墩壁厚度； R——墩壁圆弧段中曲面半径；D——圆端形直线段长度。

3.2墩身强度

空心墩可不做偏心检算，但截面拉应力不得大于混凝土的容许弯曲拉应力。墩顶实体段是为了使支座反力均匀地传至墩壁，并减少活载冲击力对墩壁的影响，墩底实体段是为了使墩壁应力能扩大传到基底，使基底应力分布较均匀。墩顶实体段顺桥向按双向受力，纵桥向按单向受力（深梁）进行计算，墩顶上实体段最大拉应力常出现在支垫垫石下方；墩底下实体段拉应力常出现在下实体段顶部。故常在墩顶、底空心与实体段交界面上设加强钢筋，在顶帽凹槽、检查孔等产生局部拉应力的部位增设加强钢筋，墩顶面设置钢筋网等措施来保证空心桥墩的安全性。

3.3温度应力

由于空心墩内外通风不良，且混凝土本身导热性能低，所以当空心墩周围气温发生变化时会使桥墩结构不同部分迅速产生不均匀温度分布，在很短时间内形成相当大的温差，从而产生相当大的温差应力。墩身温度应力主要考虑水平温度应力和竖向温度应力。

3.4固端干扰应力

根据《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》第5.1.4条，混凝土空心墩应考虑空心段与墩顶实体过渡段联结和与基顶实体段联结处固端干扰的影响。 根据铁基字(75)953号文：高度在50m以内的空心墩，可以采用按悬臂理论计算的截面应力增大50%考虑局部应力，以此来计算固端干扰应力。这里，矩形空心墩与圆端形空心墩的固端干扰长度的计算是不同的。根据有限元的块体元分析结果，矩形空心墩固端边界干扰长度计算公式如下:

墩顶轴向压力、弯矩作用时墩顶固端干扰长度： ；墩底固端干扰长度：

墩顶水平力作用时墩顶固端干扰长度：；墩底固端干扰长度：式中：t为墩身截面壁厚，b为墩身截面与t对应边的中面长度。

而圆端形空心墩圆端形空心墩固端边界干扰长度计算公式如下:

式中：t为墩身截面壁厚，R为墩璧圆弧段的中曲面半径。

3.5风振

超过50m的高墩应进行风振计算，风荷载是高墩的主要侧向荷载之一。风荷载对高墩的作用有静力和动力两部分，顺桥向风力分为平均风压和脉动风压，对刚度较小的高墩，风振影响不能忽略。风振计算所涉及的理论及公式参照《桥梁墩台》中有关高墩风振的内容。

3.6抗震检算

地质条件对墩身的设计影响主要反映在对墩身的配筋上。钢筋混凝土空心桥墩应根据《铁路工程抗震设计规范》（2009年版）(GB50111-2006）第7.1.4条进行抗震强度及延性验算。

地震区墩身钢筋应按明挖基础和桩基础分别进行强度、延性检算来确定。参考图设计中，刚度选择过大，适用范围大，但地震力大，墩身钢筋加强，会造成浪费;如刚度选择过小，可节省圬工但适用范围小也不合适。故参考图设计时常按明挖基础(II类场地、地震动反应谱特征周期Tg=0.35s)和线上最具代表性桩基(II类场地、地震动反应谱特征周期Tg=0.45s)布置，来计算综合线刚度（不同墩高根据相应的桩基布置计算出的墩身和基础的线刚度之和），分别进行地震力强度检算。综合比较明挖和桩基计算结果，按控制工况配置墩身钢筋。

在工点设计时，综合线刚度大于参考图设计所列值时，墩身钢筋需另行检算。

3.7墩顶外力计算

根据梁重、二期恒载、列车活载、设计速度、风荷载、无缝线路力、直曲线及墩身尺寸等分别计算。墩顶外力计算是常规计算，这里不再叙述。

4、结语

综上所述，高速铁路双线空心桥墩的设计流程：首先根据孔跨、墩高、地质条件、墩身刚度等因素，确定墩身与基础的合理刚度并具以初步拟定墩身尺寸;再结合线路条件、梁重、设计速度等情况，对所拟桥墩进行稳定性、强度、刚度、位移、地震力等检算;并综合考虑检查维修、经济性等对墩身尺寸进行局部修改，确定最终的桥墩尺寸。

高速铁路空心桥墩参考图的设计，是一个拟定检算优化再检算的优化循环，目的在于既保证桥墩的安全可靠，又节省圬工。实现了桥梁设计的标准化，提高了设计工作效率和设计质量。

参考文献

铁道第四勘察设计院。铁路工程设计技术手册。桥梁墩台【M】北京：中国铁道出版社。1997

《新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定》（上、下）(铁建设[2005]140号)

《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函[2005]285号)

高速铁路设计规范（试行）（TB10621-2009）

陈慧.《U型深谷高桥墩及基础设计的探讨》铁道标准设计.2007