普速鐵路105 m柱板式空心高墩細節(jié)設(shè)計研究

李兆章

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

1 概述

隨著經(jīng)濟和社會飛速發(fā)展，我國鐵路橋梁建設(shè)近20年取得了舉世矚目的成就，橋梁的作用不僅僅是跨越江河溝壑，從保護生態(tài)和節(jié)約耕地、保障城市發(fā)展等角度，橋梁都發(fā)揮著重要作用，甚至成為城市地標性建筑。近些年新建鐵路和在建鐵路中，橋梁比例一般在50%以上，部分線路甚至超過90%[1]，在眾多的鐵路橋梁中，標準簡支梁和一般結(jié)構(gòu)連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等建設(shè)技術(shù)非常成熟，從設(shè)計、施工、運維等每個階段均有一整套完整理論或建造經(jīng)驗供參考和學習。而部分特殊結(jié)構(gòu)橋梁特別是首次采用的新型結(jié)構(gòu)，成為控制性工程，其建設(shè)成敗關(guān)系到整個工程的安全。在特殊橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，若只關(guān)注整體結(jié)構(gòu)的指標計算，而忽略結(jié)構(gòu)局部細節(jié)的處理，由此會造成結(jié)構(gòu)可操作性、施工質(zhì)量、耐久性等大大降低，由于細節(jié)處理不當，在施工和運營中出現(xiàn)開裂、大變形、脫落等事故時有發(fā)生，因此一個優(yōu)秀的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該全面統(tǒng)籌細節(jié)設(shè)計與整體設(shè)計[2]。

以黃韓侯鐵路縱目溝特大橋5號主墩為背景，對新型柱板式空心高墩設(shè)計過程中幾個細節(jié)，從設(shè)計、施工、試驗等方面進行介紹。

2 工程概況

縱目溝特大橋位于黃陵—韓城—侯馬鐵路新建雙線段內(nèi)，線間距為4.0 m，設(shè)計速度160 km/h，屬于“U”形黃土溝壑區(qū)，軌面至縱目溝溝心距離129.1 m，主橋范圍內(nèi)出露地層主要為第四系黃土，三疊系中統(tǒng)砂巖、泥巖。場地黃土屬于中硬土，場地類型Ⅱ類。地震動峰值加速度為0.109g(相當于地震基本烈度Ⅶ度)，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.51 s；土壤最大凍結(jié)深度47 cm。主橋孔跨布置經(jīng)過2×136 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)部分斜拉橋方案、2×136 m T構(gòu)鋼桁梁方案、(78+2×136+78)m連續(xù)剛構(gòu)方案比選，綜合安全、經(jīng)濟、施工、運維等技術(shù)詳細分析，采用(78+2×136+78)m連續(xù)剛構(gòu)方案[3]。主橋立面布置如圖1所示。

其中，5號主墩墩高105 m，為西北鐵路第一高墩。綜合國內(nèi)超過100 m鐵路橋墩，其截面形式綜合而言均采用圓端形、矩形、A字形空心墩，橋墩結(jié)構(gòu)在任何工況下均整體受力[4]。傳統(tǒng)高墩在罕遇地震狀態(tài)下，墩身結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)時，基礎(chǔ)往往受力過大成為設(shè)計難點。本橋由于地震烈度高，且位于5～30 m的濕陷性地層內(nèi)，為減小不良地質(zhì)條件帶來的基礎(chǔ)設(shè)計難度，借鑒房建框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，采用新型柱板式空心墩，即在罕遇地震下，連接板開裂破壞(類似建筑上的門窗)，墩柱和橫梁成為主要受力構(gòu)件保持完整(類似剪力墻和主梁)，橋墩剛度急劇下降，周期延長，地震作用大幅消減。而在正常運營和多遇地震作用下，橋墩整體受力工作，滿足規(guī)范所要求的各項指標。該新型空心高墩結(jié)構(gòu)為國內(nèi)、國外首創(chuàng)鐵路墩型，其構(gòu)造如圖2所示。

圖2 柱板式空心墩構(gòu)造(單位：cm)

主墩橫截面經(jīng)過多方案比選，墩柱采用正四邊形倒50 cm半徑圓弧截面形式，墩柱內(nèi)切圓半徑從墩頂3 m漸變至墩底5.5 m；連接板與墩柱之間連接為減小應(yīng)力集中，采用50 cm×25 cm的倒角連接，連接板厚度由墩頂0.8 m變化至墩底1.0 m[5]。典型墩身橫斷面如圖3所示。

圖3 柱板式空心墩典型橫斷面(單位：cm)

本橋集“高墩、大跨、高烈度地震區(qū)、濕陷性黃土溝壑區(qū)、大體積混凝土、新型橋墩結(jié)構(gòu)”于一體。橋墩整體設(shè)計和細部計算分析均須滿足規(guī)范要求。

3 墩身混凝土收縮分析

與傳統(tǒng)鐵路圓端形、矩形空心墩不同，5號主墩構(gòu)造上由于薄壁板和墩柱連接處剛度變化大，倒角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在施工過程中，由于混凝土澆筑時間差，齡期不同引起的收縮應(yīng)力需引起重視，從構(gòu)造和施工工藝上防止混凝土開裂。

3.1 收縮理論概述

混凝土是一種多相體，在以受壓為主的橋墩結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，其優(yōu)缺點非常明顯：抗壓強度高、耐久性好、取材方便、施工便捷，同時具有抗拉強度低、施工運營中容易開裂的缺點。根據(jù)相關(guān)文獻，混凝土工程結(jié)構(gòu)的裂縫80%以上是由于變形所產(chǎn)生(主要是收縮產(chǎn)生)[6]。因此本橋需詳細分析施工過程中混凝土收縮的影響，避免混凝土受拉破壞。

3.1.1 塑性收縮

混凝土拌和并澆筑后4～15 h，處于流態(tài)的混凝土由于膠凝材料與水不斷發(fā)生水化反應(yīng)，在混凝土終凝前，出現(xiàn)失水收縮，骨料及膠合料相互產(chǎn)生不均勻的沉縮變形[7]，一般在塑性階段發(fā)生在混凝土表面。

3.1.2 縮水收縮

塑性收縮完成后混凝土逐漸結(jié)硬，由于表層水分的蒸發(fā)較快，濕度降低明顯，收縮面積大。而內(nèi)部水分損失較慢，引起內(nèi)外部收縮不均勻，致使表面混凝土受拉?；炷劣不蟮氖湛s以縮水收縮為主，也是引起開裂的主要原因[8]。

3.1.3 自生收縮

混凝土在硬化過程中，化學結(jié)合水與水泥化合的作用而引起的混凝土收縮，與外界濕度無關(guān)[9]。

3.1.4 炭化收縮

大氣中的CO2與水泥的Ca(OH)2發(fā)生化學反應(yīng)，釋放出結(jié)晶水引起的收縮變形[10]。

3.1.5 約束條件引起的收縮

混凝土結(jié)構(gòu)物在變形過程中受到約束而阻礙其正常變形而引起的收縮[11]。就本橋而言，墩底實體段的外部約束主要是承臺、第1節(jié)4 m空心段的約束主要是墩底實體段。由于齡期的差別使前澆筑段約束后澆筑段的收縮變形，從而使混凝土受拉。

3.2 主墩混凝土收縮分析模型

采用Midas/Civil建立樁基、承臺、墩身實體單元模型，樁土之間的約束作用使用土彈簧來進行模擬，具體剛度的數(shù)值按“m”法計算[12]。通過施工階段對實際施工過程進行模擬，下橫梁以下實體分析模型如圖4所示。

圖4 主墩墩身混凝土收縮分析模型

根據(jù)TB 1002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第4.4.5條對混凝土收縮的計算規(guī)定：對混凝土收縮的影響，可按降低溫度的方法來計算。對于分段澆筑的混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相當于降低溫度10 ℃。根據(jù)規(guī)范要求，本設(shè)計采用降溫10 ℃來模擬墩身混凝土的收縮[13]，施工階段各施工構(gòu)件、施工天數(shù)、荷載工況如表1所示。

表1 下橫梁以下各節(jié)段施工模擬工況

3.3 各施工節(jié)段具體計算結(jié)果

根據(jù)前述施工階段和荷載工況，對收縮模型進行施工階段分析，墩身順橋向各節(jié)段收縮計算結(jié)果見表2。

表2 墩身順橋向混凝土收縮應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

墩身橫橋向各節(jié)段收縮計算結(jié)果如表3所示。

表3 墩身橫橋向混凝土收縮應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

下橫梁以上橋墩收縮應(yīng)力不控制設(shè)計，不再贅述。

3.4 計算結(jié)果分析

從計算結(jié)果看出，墩底5 m實體段施工完成后，澆筑墩底第1節(jié)4 m空心段，混凝土收縮引起的順橋向局部拉應(yīng)力最大可達7.3 MPa，如圖5所示。究其原因主要是空心段縮水收縮；同時由于墩底實體段與空心段截面剛度變化大，混凝土齡期不同，實體段約束空心段收縮變形引起拉應(yīng)力。

圖5 澆筑第1節(jié)4 m空心段應(yīng)力云圖(單位：MPa)

連接板收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力有2種解決方案。方案1：第1節(jié)4 m空心段配置預(yù)應(yīng)力鋼束。經(jīng)過實體建模分析后的結(jié)果來看，效果不明顯，主要原因是墩柱剛度太大，無法發(fā)揮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。方案2：配置普通鋼筋。通過計算，在第1節(jié)4 m空心段配置多層φ25 mm縱橫向鋼筋便能抵抗收縮拉應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 第1節(jié)4 m空心段普通鋼筋布置

4 主墩基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)情況及主墩受力檢算結(jié)果，承臺以下主要為砂巖夾泥巖，基本承載力σ0=800 kPa，因此采用柱樁基礎(chǔ)。由于地形條件所限，主墩位于溝底，施工便道較窄且迂回，鉆孔樁機械等大型機械很難運輸進場，為方便施工，減小運輸風險，主墩樁基采用人工挖孔樁。經(jīng)過計算，本橋樁基可采用38根φ2 m柱樁或者24根φ2.5 m柱樁，為增大施工空間，同時增大柱樁樁身面積，采用φ2.5 m樁徑柱樁。橋址地形平面如圖7所示。

圖7 主墩橋址平面(單位：cm)

從圖7可以看出，主墩承臺位于溝心陡坎上，最低點高程651.0 m，梁底高程為767.23 m，按照常規(guī)橋梁設(shè)計，承臺頂一般不露出地面，由此計算主墩墩高應(yīng)該為116.5 m。由于本橋地震烈度高，墩身自重大，地震力和基礎(chǔ)設(shè)計均是難點，采用新型柱板式空心墩目的就是為了減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震力。若減小墩高，則效果最直接。因此本橋采用非常規(guī)設(shè)計，將承臺和部分樁基高于地面[14]，出露部分樁基采用土層夯實，并在陡坎一側(cè)設(shè)置擋墻進行加固，將墩高設(shè)計為105 m，減小墩高11.5 m，減少墩身混凝土約1 300 m3，極大減小了墩身、基礎(chǔ)以及全橋的設(shè)計難度。

根據(jù)計算結(jié)果，本橋小里程側(cè)樁基地勢較低計入10 m自由樁長，須27 m方能滿足要求，見圖5中“1號樁”。其余樁基地勢較高，無需計入自由樁長，計算只需要17 m即可滿足。根據(jù)地形條件，主墩樁基采用不等長樁基設(shè)計[14]，真正做到“因地制宜”。

5 抗震試驗構(gòu)件設(shè)計

柱板式空心墩在國內(nèi)首次采用，缺少相關(guān)抗震理論及試驗研究可參考，因此擬采用局部模型的擬靜力試驗對該類橋墩的破壞模式和滯回特性進行研究，為設(shè)計提供參考依據(jù)[15]。對模型試驗而言，主要是原型選取、尺寸、材料、邊界條件等，關(guān)系到試驗后期數(shù)據(jù)處理及結(jié)果的有效性[16]。

5.1 模型試驗原型選取

5號主墩設(shè)置上、中、下3道橫梁將主墩分為“4節(jié)”，上橫梁以上為正方形等截面布置，縱橫向連接板寬度相同，下橫梁以下存在固端彎矩效應(yīng)，均不適合作為試驗構(gòu)件原型[17]。上、中橫梁之間連接板寬度縱向變化3.0～3.6 m、橫向變化3.0～4.9 m，差距不明顯，且本段存在恒載彎矩變向點。中、下橫梁之間連接板寬度縱向變化3.7～5.0 m、橫向變化5.3～9.3 m，縱橫向板寬接差距接近1倍，可分別研究兩種板寬在地震力作用下受力狀態(tài)。

因此，試驗構(gòu)件綜合考慮制作、運輸、試驗加載條件等，以中橫梁和下橫梁之間橋墩作為縮尺構(gòu)件原型，以1∶10比例進行縮尺，縱橫向分別制作3個模型進行試驗?？v向連接板寬度42 cm，橫向連接板寬度72 cm，墩柱邊長30 cm。墩柱與連接板之間同樣設(shè)置倒角連接，連接板厚度7 cm[18]。試驗構(gòu)件橫截面如圖8所示。

圖8 試驗構(gòu)件布置(單位：cm)

縮尺模型材料采用與原型墩身一致的C50混凝土。鋼筋設(shè)計按照相似關(guān)系[19]或與原型橋墩配筋率相同設(shè)置[20]。因此，縮尺模型立柱縱筋采用φ20 mm的HRB400鋼筋，板上縱筋和箍筋采用φ6 mm的HPB300鋼筋[21]。

5.2 連接板梗脅鋼筋設(shè)計

一般梗脅鋼筋均設(shè)置為滿足保護層及錨固長度要求的加強筋，如圖9(a)所示，實際橋墩尺寸較大，按此種布置方式不會造成鋼筋互相干擾。但本試驗構(gòu)件由于連接板厚只有7 cm，上下兩層鋼筋在連接板交匯處彎鉤干擾極大，也影響到混凝土澆筑，因此將梗脅加強筋合二為一，采用9(b)的鋼筋布置方式，成功地解決了鋼筋互相干擾問題。

圖9 試驗構(gòu)件梗脅鋼筋布置(單位：cm)

5.3 構(gòu)件與地墻連接設(shè)計

試驗構(gòu)件與地錨鋼板固結(jié)，再通過6根￠60 mm地錨螺栓與實驗室地墻錨固。由于本實驗需要測試構(gòu)件的水平位移，因此地錨螺栓桿與地墻的連接緊密程度關(guān)系到實驗數(shù)據(jù)的準確性。為此，在試驗時，每個螺栓孔用2個半圓形楔形塊將地錨螺栓桿塞緊，同時地面上施工2 cm厚的干硬砂漿層，將試驗構(gòu)件放上，確保試驗構(gòu)件的水平，再擰緊地錨螺栓。楔形塊設(shè)計如圖10所示。

圖10 楔形塊設(shè)計(單位：mm)

5.4 模型試驗結(jié)果

對模型試驗原型合理選取、構(gòu)件鋼筋優(yōu)化設(shè)計及連接加固設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過對試件進行反復荷載作用下的擬靜力試驗研究，得到結(jié)構(gòu)的破壞形式、滯回曲線關(guān)系、剛度、延性等抗震方面的主要結(jié)論如下。

(1)隨著荷載增加，試件連接板受到剪切作用率先開裂，出現(xiàn)斜裂縫，逐漸相互交叉直至連通后，墩柱才開始出現(xiàn)水平裂縫。

(2)從循環(huán)加載過程形成的滯回曲線形狀以及等效黏滯系數(shù)和能量耗散系數(shù)指標來看，試件具有良好的耗能能力。

(3)從試件開裂前和開裂后主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力變化趨勢看，當遭遇強烈地震作用時，先通過薄壁板開裂來消散地震輸入的能量，從而保護墩柱結(jié)構(gòu)安全。

(4)從試件的連接板和柱內(nèi)的鋼筋應(yīng)變分析來看，連接板內(nèi)縱筋先陸續(xù)達到屈服應(yīng)變后，柱內(nèi)的鋼筋才逐步屈服，符合新型橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。

6 結(jié)語

以縱目溝特大橋新型柱板式空心墩為依托，對結(jié)構(gòu)設(shè)計中幾處重要的細節(jié)設(shè)計進行了探討，綜合分析，可得出如下結(jié)論。

(1)工程設(shè)計中具體的新問題意味著新思路、新理念、新結(jié)構(gòu)的誕生。新型柱板式空心墩借鑒房建結(jié)構(gòu)理念，打破傳統(tǒng)高墩整體設(shè)計思路，采用可分離式橋墩構(gòu)造的嘗試，為橋梁特殊結(jié)構(gòu)跨專業(yè)高度融合的解決途徑起到示范作用。

(2)縱目溝特大橋柱板式空心墩在結(jié)構(gòu)細節(jié)分析上，面向設(shè)計施工每一個環(huán)節(jié)。由收縮引起的拉應(yīng)力遠超出混凝土極限抗拉能力，通過比較分析后采用設(shè)置多層普通鋼筋方式，既滿足結(jié)構(gòu)受力需要，又能防止混凝土開裂；對于高烈度地震區(qū)高墩大跨結(jié)構(gòu)，根據(jù)地形條件，適當提高承臺以及采用不等樁長設(shè)計，方案更具合理性。

(3)新型高墩縮尺模型試驗設(shè)計以相似理論為基礎(chǔ)，綜合試驗?zāi)康?、加載條件及模型制作條件，選取最優(yōu)化縮尺構(gòu)件原型，確定模型最優(yōu)化尺寸和材料。注意模型制作與實際工程施工的區(qū)別，鋼筋設(shè)計也需靈活設(shè)計。同時必須考慮必要的連接構(gòu)造措施，保證試驗數(shù)據(jù)準確性。

黃韓侯鐵路縱目溝特大橋已投入運營4年且目前狀態(tài)良好，新型柱板式空心墩諸多細節(jié)設(shè)計在施工和運維中得到了驗證。從勘測、設(shè)計、施工和運維全過程的深入研究，是保證每一個環(huán)節(jié)成功實施的基礎(chǔ)。由于鐵路建設(shè)標準的提升和修建水平的提高，越來越多的特殊結(jié)構(gòu)橋梁正在成為工程的紐帶，本文的研究成果可為類似工程建設(shè)提供重要參考。