混凝土梁式橋橋墩選型方案研究

趙艷納

(廣西高速公路投資有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

在一般高速公路建設(shè)中，梁式橋由于設(shè)計簡單、施工方便和維護容易，在公路尤其是高速公路中應(yīng)用廣泛[1]。橋墩形式有圓形雙柱式墩、方形雙柱式墩、實體墩、薄壁空心墩等[2]，但是具體選用的標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一。目前廣西高速公路的主要設(shè)計單位結(jié)合區(qū)內(nèi)外多條高速公路橋梁設(shè)計中取得的經(jīng)驗并參考國內(nèi)外同類橋梁的成功設(shè)計實例，對橋墩的選用情況如表1所示。

表1 主要勘察設(shè)計單位橋墩選擇一覽表

各設(shè)計單位選擇標(biāo)準(zhǔn)不一，不利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化施工，不符合廣西高速公路大發(fā)展時期的標(biāo)準(zhǔn)化要求，因此對梁橋橋墩形式的標(biāo)準(zhǔn)化已成為目前亟待解決的問題。本文結(jié)合目前廣西區(qū)內(nèi)外橋墩設(shè)計的實際情況，對混凝土梁式橋不同墩高的橋墩方案設(shè)計進行綜合經(jīng)濟效益分析，得出相關(guān)的結(jié)論，達到在投資基本可控的前提下，統(tǒng)一墩臺形式從而實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工、加快高速公路施工進度的目的。

1 不同橋梁墩柱形式的特點

圓形雙柱式墩、方形雙柱式墩、實體墩、薄壁空心墩的特點詳見表2。

表2 梁式橋不同橋墩的特點一覽表

2 各墩高情況下墩柱形式經(jīng)濟性分析基礎(chǔ)

2.1 橋墩受力分析

橋梁墩臺受力如表3所示[3]。

表3 橋墩受力分析表

2.2 橋墩配筋主要原則

橋墩選型和配筋主要遵循適用、經(jīng)濟的原則。

(1)橋墩配筋要求為主。根據(jù)上構(gòu)計算的力按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[3]進行組合。

橋墩計算根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[4]第5.3條受壓構(gòu)件章節(jié)對墩身界面進行驗算。

(2)墩柱配筋最小配筋率要滿足規(guī)范要求。墩柱縱向主筋配筋最小配筋率滿足橋涵設(shè)計規(guī)范[4]第9.1.12條規(guī)定；墩柱箍筋配筋形式和配筋率橋涵設(shè)計規(guī)范[4]第9.6條規(guī)定。

3 不同橋墩形式的經(jīng)濟性分析研究

本文采用常見的梁式橋30 m或40 m跨T梁橋橋墩在各種高度下各墩型的適用性和經(jīng)濟性進行比較。具體以設(shè)計速度為100 km/h，整體式路基為26 m寬，橋?qū)挒?×12.75 m，橋梁上部構(gòu)造為40 m的T梁為例，對墩高H=30 m、40 m和50 m及以上的各型橋墩進行經(jīng)濟分析。

3.1 墩高H=30 m

墩高30 m時，圓形雙柱式墩、方形雙柱式墩、矩形實體墩、薄壁空心墩均適用，均滿足受力要求；矩形實體墩和薄壁空心墩外形尺寸基本一致，由于空心墩施工工藝復(fù)雜，在墩高30 m時并無優(yōu)勢。因此，采用圓形雙柱式墩、方形雙柱式墩和實體墩進行比較(見表4)。

根據(jù)表4分析，墩柱高度H=30 m、樁基長度按30 m計時，采用圓形雙柱式墩、方形雙柱式墩和實體墩進行比較：基礎(chǔ)工程部分，由于方形雙柱式墩和實體墩需要設(shè)置承臺進行轉(zhuǎn)換，方形雙柱式墩和實體墩比雙圓柱墩混凝土分別增加31.3%和34.9%，鋼筋分別增加33%和44.8%，造價分別增加14.8和18%；下部構(gòu)造部分，方形雙柱式墩和實體墩比圓形雙柱式墩混凝土分別增加20.7%和63.6%，鋼筋分別增加71.3%和97.0%，造價分別增加34%和69.1%。因此，圓形雙柱式墩經(jīng)濟性更好，墩高在30 m以內(nèi)的墩柱一般選用圓形雙柱式墩。

表4 墩高H=30 m時各墩型主要工程量比較表

3.2 墩高H=40 m

圓形雙柱式墩由于以承壓為主，抗折能力不足，因此墩高40 m時其穩(wěn)定性已經(jīng)難以通過設(shè)計要求，此時方形雙柱式墩、實體墩、薄壁空心墩均滿足受力要求。但由于薄壁空心墩鋼筋施工復(fù)雜，措施費較高，在墩高40 m時并無優(yōu)勢，因此采用方形雙柱式墩和實體墩進行比較(見下頁表5)。

表5 墩高H=40 m時各墩型主要工程量比較表

根據(jù)表5工程量對比，墩柱高度H=40 m、樁基長度按30 m計時，采用方形雙柱式墩和實體墩進行比較：基礎(chǔ)工程部分，實體墩比雙柱墩混凝土增加3.1%，鋼筋增加3.3%，造價增加1.7%；下部構(gòu)造部分，實體墩比雙柱墩混凝土增加2.6%，鋼筋增加7.3%，造價增加5.1%。同時，方形雙柱式墩比實體墩施工進度快，因此在墩高40 m左右時選用方形雙柱式墩較為經(jīng)濟。

3.3 墩高H=50 m

墩高50 m時，方形雙柱式墩剛度已經(jīng)接近受力極限，但實體墩、薄壁空心墩均能滿足要求，因此采用矩形實體墩、薄壁空心墩進行比較。主要對比分析如表6所示。

根據(jù)表6工程量對比，墩柱高度H=50 m、樁基長度按30 m計時，采用實體墩和空心薄壁墩進行比較：基礎(chǔ)工程部分，兩種墩型基礎(chǔ)基本一致；下部構(gòu)造部分，空心薄壁墩比實體墩混凝土減少24.3%，鋼筋增加3.6%，造價基本一致。如果橋墩基礎(chǔ)采用摩擦樁，由于實體墩墩柱混凝土比薄壁墩多24.3%，相應(yīng)要求樁基承載力更高，樁長更長，經(jīng)濟性更差，但是空心墩施工措施、施工工期費比實體墩多。因此，墩高50 m左右時，等截面的實心墩和薄壁空心墩經(jīng)濟性差不多，但由于空心墩施工較為復(fù)雜，受工程進度影響，同等條件下優(yōu)先選用實心墩；而根據(jù)3.3測算，同等高度下方形雙柱墩比實體墩更有優(yōu)勢，因此在受力滿足的情況下優(yōu)先選用方形雙柱式墩。

表6 墩高H=50 m時各墩型主要工程量比較表

3.4 墩高50 m以上空心墩與實心墩綜合經(jīng)濟分析

50 m以上的墩柱可采用實心墩或薄壁空心墩，由于實心墩混凝土體積較大，對地基承載力要求高，為減少自重和投資，實心高墩時一般采用變截面設(shè)計。以整體式路基24.5 m寬，橋?qū)?×12 m，橋梁上部構(gòu)造為40 m T梁為例，對墩高50

3.4.1 結(jié)構(gòu)尺寸對比

(1)空心薄壁墩結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 薄壁空心墩尺寸結(jié)構(gòu)圖(cm)

(2)實體墩結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 實體墩尺寸結(jié)構(gòu)圖(cm)

3.4.2 工程材料及費用對比

按照不同高度，以上述尺寸的一個墩為單位進行對比分析，具體如下：

3.4.2.1 空心薄壁墩材料

空心墩墩身每方混凝土的鋼筋具體用量為：HRB400 234.2 kg/m3；勁性骨架30.7 kg/m3；鋼板3.5 kg/m3。根據(jù)鋼筋含量估算不同墩高的材料用量，具體結(jié)果如表7所示：

表7 不同墩高條件下薄壁空心墩材料用量對比表

3.4.2.2 實體墩材料

為滿足抗裂性和剛度要求，墩高越高實體墩需要的鋼筋越多，按實體墩墩身每m2混凝土鋼筋HRB400、178.5 kg/m3估算。不同墩高的材料用量估算見表8。

表8 不同墩高實體墩材料用量對比表

3.4.2.3 費用對比

50 m以上高墩按照實體薄壁墩1 128元/m3，勁性骨架7 754元/t，鋼筋6 113元/t計算；空心墩高≤70 m的混凝土單價為1 143元/m3，鋼筋為6 113元/t，模板提升架按照28 690元/墩計算?？招亩张涫┕る娞莺退蹩紤]，如每處按4個月施工周期計算，651 536元/墩(上述單價參考桂林至柳州高速公路改擴建)。具體費用測算結(jié)果見下頁表9。

表9 不同墩高空心薄壁墩與實體墩費用對比表

綜合以上分析，不涉及樁基承臺變化時，55 m的實心墩施工費用比空心墩高38%左右；隨著高度的增加投資將持續(xù)攀升，高度70 m的高墩采用實心墩比空心薄壁墩增加投資約56%，加之薄壁墩對于基礎(chǔ)要求不高，故對于>50 m的高墩一般選用空心薄壁墩。

4 結(jié)語

根據(jù)上述論證，同時結(jié)合區(qū)內(nèi)外橋墩設(shè)計情況、投資影響及綜合效益各項分析，對于一般地質(zhì)情況下的橋梁，梁式橋橋墩形式建議要求如下：

橋墩高度<30 m時，建議采用圓形雙柱式墩。

墩高為30～50 m時，建議采用方形雙柱式墩。

墩高≥50 m時，建議采用薄壁空心墩。