摘要：本文介紹了空心墩的類型、施工方法。針對連續(xù)剛構(gòu)橋中經(jīng)常采用的薄壁空心墩和實心墩,通過有限元的分析計算,比較在不同墩高情況下二者對主梁彎矩、墩身水平力和彎矩及全橋穩(wěn)定性等方面的影響,對連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計中橋墩結(jié)構(gòu)形式的選擇進(jìn)行分析。
　　關(guān)鍵字：連續(xù)剛構(gòu)橋、翻轉(zhuǎn)模板、空心墩、薄壁空心墩
　　1.前言
　　墩基的承載力是由樁身和樁底地基承載力兩個條件來決定的,設(shè)計時,一般墩身強度必須大于地基承載力,墩的承載力應(yīng)由地基承載力來控制。實心墩墩身直徑大,墩身強度一般遠(yuǎn)高于地基承載力,材料浪費較多,采用空心墩就是使墩內(nèi)部形成空腔,這樣可以減少砼,減少配筋,減輕墩的自重,而墩的承載力仍然能得到保證。目前,空心墩在一些建筑工程中已有少量應(yīng)用,但空心墩設(shè)計理論仍然不完善,國家也沒有相應(yīng)的規(guī)范,本文對空心墩的設(shè)計理論作初步探討。
　　2．空心墩的類型
　　2．1按平面形狀分類
　　2．1.1空心墩宜設(shè)計為一柱一樁,按平面形狀可分為:單孔圓形、單孔橢圓形。單孔圓形墩適用于軸心受壓柱及小偏心受壓柱,單孔橢圓形適用于大偏心受壓柱,樁長軸方向的抗彎強度大。
　　2.1.2當(dāng)兩柱較近,設(shè)計成單孔有困難時,可以把兩個墩連體,就形成了雙孔圓形和雙孔橢圓形。
　　2．2按壁厚分類
　　2.2.1薄壁空心墩。人工挖孔空心墩只作砼護(hù)壁,然后直接把護(hù)壁作為承重的結(jié)構(gòu),稱為薄壁空心墩。這種空心墩平均壁厚一般200mm以下,在上部傳來的荷載較小時,可以采用它。薄壁空心墩是由底板(或擴大頭)、筒壁、蓋板及承臺(或柱基)所組成。
　　2．2.2厚壁空心墩。對于承受較大荷載的空心墩,一般筒壁要求較厚(常在200mm以上),施工時先做空心墩的護(hù)壁,然后再灌注筒身砼,形成厚壁空心墩,它主要由擴大頭、筒身、蓋板及承臺組成。
　　2.3按樁的受力類型分類
　　2.3.1當(dāng)墩底支承于強風(fēng)化巖層或硬塑土層時,墩的允許承載力為墩壁摩阻力與墩底端承力之和。當(dāng)墩頂施加荷載P時,砼墩身產(chǎn)生壓縮變形,墩身與墩側(cè)土之間會產(chǎn)生相對位移,但其值較小,P值全部由墩壁摩阻力所承擔(dān)。P值增大,墩與墩側(cè)土的相對位移增大,墩壁摩擦阻力增大,墩底土的豎向阻力逐步產(chǎn)生,當(dāng)P繼續(xù)增大時,墩與墩側(cè)面土的相對位移繼續(xù)增大,摩擦力最后達(dá)到極限。P值再繼續(xù)增加,墩底土的端阻力迅速增加到極限值。據(jù)有關(guān)試驗資料,在硬塑粘土中,摩阻力占總荷載75%左右,在強風(fēng)化巖中約占60%左右,屬于磨擦樁。
　　2.3.2當(dāng)墩底支承于中等風(fēng)化或微風(fēng)化巖層時,由于孔底沉渣可以清理很干凈,不會形成壓縮的軟墊,墩受荷后沉降極小,墩側(cè)阻力因樁土相對位移小而不能發(fā)揮,而且數(shù)值較小,此時墩端阻力對墩的承載力起主要作用,故設(shè)計時只考慮墩端阻力,按端承墩設(shè)計。
　　3.空心墩施工方法
　　二、主要施工工藝
　�。ㄒ唬┠０逶O(shè)計與制作
　　由于翻模配套設(shè)備要求較少，施工機具投入��；混凝土外觀質(zhì)量容易控制，施工糾偏容易，可以連續(xù)或間斷施工，故在施工中選擇了塔吊提升大塊鋼模翻模法施工。
　　首先對各墩的墩身高進(jìn)行統(tǒng)計，計算出各墩所需模板節(jié)數(shù)和調(diào)節(jié)段高度，按最高墩身確定所需加工的模板節(jié)數(shù)。根據(jù)墩身各部尺寸外模采用整體鋼模板，內(nèi)模采用定型鋼模板。由于墩身高，模板倒用次數(shù)多，鋼外模面板使用6mm厚鋼板制作，模板設(shè)有[10槽鋼豎肋及[12槽鋼橫肋，豎肋和橫肋皆組焊而成，橫肋為施工提供較為寬闊的操作平臺,同時多層橫肋通過螺栓連接后組成空間桁架，保證了翻模模板的空間剛度，能有效的減少模板對拉桿的使用，提高墩身混凝土的外觀質(zhì)量。
　　該橋薄壁墩身的四個拐角設(shè)計為直角，但直角的砼容易發(fā)生掉角、漏漿的質(zhì)量通病，因此在設(shè)計模板時，我們把墩身的直角改為直徑2cm的小圓角，這樣既不用變更鋼筋的位置，又能保證拐角處砼的質(zhì)量。
　　（二）墩身施工工藝
　　該橋高墩施工采用分節(jié)翻模澆筑法，因墩身較高，綜合考慮了節(jié)段施工時間、機具長度及鋼筋配料和減少砼施工縫的數(shù)量的目的，墩柱模板均采用定型大塊鋼模，一套4節(jié)（2節(jié)3米和2節(jié)1.5米），每4.5m翻升一次；除墩底9m一次施工外，以上按4.5m/節(jié)循環(huán)施工。，每次翻模3+1.5m，總共9m。施工時，除第一道澆筑9米外,其余節(jié)段每次澆注2節(jié)模板的高度，即每次翻2層模板，澆筑4.5m高的砼，待混凝土強度達(dá)到2.5MPa后再立第二節(jié)模板，這樣逐節(jié)升高，直至墩身澆筑完畢。
　　
　　4．空心墩和實心墩對連續(xù)剛構(gòu)橋受力影響的比較
　　4.1計算模型及結(jié)果
　　連續(xù)剛構(gòu)橋當(dāng)采用雙肢薄壁空心墩或?qū)嵭亩諘r,不同的橋墩高度、墩身厚度都會對梁體產(chǎn)生不同的影響。為此,假定某公路連續(xù)剛構(gòu)橋的跨度布置為(75+120+75)m,墩高分別為40,60,80m,其全橋立面布置圖、空心墩斷面圖及實心墩斷面圖分別見圖1、圖2、圖3。（不考慮橋墩的碰撞問題）
　　
　　
　　空心墩的截面尺寸為bh=2.0m4.1m,壁厚0.45m,實心墩的截面寬度b=4.1m,厚度分別為1.2,1.6,2.0m。實心墩采用上述厚度主要考慮以下幾個方面的問題。
　　(1)實心墩截面厚度h=1.2m與空心墩具有相近的截面面積,可以比較在相同截面面積的情況下實心墩與空心墩對連續(xù)剛構(gòu)受力的影響;
　　(2)實心墩截面厚度h=2.0m與空心墩具有相同的外形尺寸,可以比較在相同截面外形尺寸的情況下實心墩與空心墩對連續(xù)剛構(gòu)受力的影響;
　　(3)實心墩截面厚度h=1.6m為上述二者的平均值。
　　利用有限元程序?qū)ι鲜鼋Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算,結(jié)果見表1、表2。其中梁體彎矩、墩底水平力和彎矩值僅考慮了梁體自重及二期恒載的作用,墩底水平力和彎矩是雙肢薄壁墩的合力,計算中根據(jù)橋墩高度的不同,雙肢薄壁墩墩間橫系梁的間距為20~25m;屈曲穩(wěn)定特征值計算中僅考慮了梁體自重、二期恒載及雙車道汽車荷載的作用,計算分為設(shè)墩間橫系梁和不設(shè)墩間橫系梁兩種情況。
　　表1不同墩身截面、墩高下梁體彎矩、墩底水平力和彎矩值比較
　　橋墩截
　　面形式 墩高
　　/m 
　　梁體主要部位彎矩計算值
　　/(kNm)
　　 墩底水平力/kN 墩底彎矩
　　/(kNm)
　　
　　  邊跨峰值 墩頂負(fù)彎矩 中跨正彎矩  
　　實心墩
　　h=1.2m 40 34851.8 278800.9 50460.9 502.7 4672.5
　　 60 34192.2 278131.1 51258.6 447.0 4254.8
　　 80 33915.8 277655.8 51821.7 408.9 3973.2
　　實心墩
　　h=1.6m 40 36447.8 279367.5 49105.5 845.4 8226.3
　　 60 35911.7 279044.9 49786.4 689.7 6902.2
　　 80 35681.7 278779.2 50274.4 593.1 6083.6
　　實心墩
　　h=2.0m 40 37699.5 279642.5 48024.5 1195.6 12199.0
　　 60 37183.4 279630.4 48692.9 910.4 9635.1
　　 80 36939.9 279652.3 49174.2 746.5 8139.0
　　空心墩
　　h=2.0m 40 36904.7 278897.3 48793.5 1185.3 11844.5
　　 60 36370.2 278763.5 49573.2 904.5 9531.7
　　 80 36093.4 278553.0 50181.9 731.6 8060.0
　　
　　表2不同墩身截面、墩高下屈曲穩(wěn)定特征值比較
　　橋墩截
　　面形式 墩高
　　/m 設(shè)墩間橫系梁 不設(shè)墩間橫系梁
　　  特征值
　　失穩(wěn)模態(tài) 特征值
　　失穩(wěn)模態(tài)
　　實心墩
　　h=1.2m 40 21.4 縱傾 5.8 縱傾
　　 60 18.3 縱傾 2.4 縱傾
　　 80 15.5 縱傾 1.3 縱傾
　　實心墩
　　h=1.6m 40 31.1 側(cè)傾 12.9 縱傾
　　 60 20.7 側(cè)傾 5.3 縱傾
　　 80 18.3 側(cè)傾 2.8 縱傾
　　實心墩
　　h=2.0m 40 36.3 側(cè)傾 23.6 縱傾
　　 60 22.7 側(cè)傾 9.6 縱傾
　　 80 19.2 側(cè)傾 5.0 縱傾
　　空心墩
　　h=2.0m 40 30.7 側(cè)傾 22.3 縱傾
　　 60 21.2 側(cè)傾 9.5 縱傾
　　 80 19.2 側(cè)傾 5.1 縱傾
　　4.2計算結(jié)果分析
　　(1)隨著墩高的增大,除跨中正彎矩逐漸增加外,其余兩處的彎矩值均在逐漸減小,但數(shù)值的增減幅度均較小,特別是墩頂?shù)呢?fù)彎矩值的變化量小于2%,可以認(rèn)為在墩高達(dá)到一定數(shù)值后,整個墩身的剛度已變得足夠小,墩高的變化對主梁彎矩的影響已很小。隨著墩高的增大,墩底的水平力和彎矩值卻明顯減小,這對基礎(chǔ)的設(shè)計非常有利。但由于全橋的屈曲穩(wěn)定特征值隨墩高的增加而減小,因此高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的墩身截面尺寸對剛構(gòu)橋的穩(wěn)定性有較大的影響。
　　(2)隨著實心墩厚度的逐漸增大,橋墩的抗彎剛度也相應(yīng)增加,主梁的邊跨峰值及墩頂負(fù)彎矩也逐漸增大,但中跨的正彎矩卻逐漸減小。一般說來,連續(xù)剛構(gòu)的控制彎矩多發(fā)生在墩頂負(fù)彎矩處,因此從減少墩頂負(fù)彎矩出發(fā),一般應(yīng)選擇較小的墩身剛度,同時也減小了墩身的工程材料用量,降低了工程造價。
　　(3)相同外形尺寸的薄壁空心墩和實心墩,由于其墩身的剛度相差不大,因此其主梁彎矩、墩底水平力和彎矩、全橋屈曲穩(wěn)定性均相差不多,但空心墩的工程材料用量僅為實心墩的60%左右。因此,從減少墩身工程量、降低基礎(chǔ)豎向力出發(fā),設(shè)計中應(yīng)盡量選擇空心墩截面。但空心墩施工較為復(fù)雜,施工難度大,工期也較長,具體采用何種墩身形式要綜合考慮各方面的因素。
　　5．結(jié)論
　　墩身剛度的變化對梁體的彎矩影響不大,墩身的截面尺寸選擇應(yīng)主要考慮穩(wěn)定性的影響。在穩(wěn)定性控制的情況下,從節(jié)約工程量出發(fā)應(yīng)盡量考慮采用空心墩;在穩(wěn)定性不控制的情況下,應(yīng)盡量采用實心墩,相同截面面積的實心墩比空心墩受力更好。在設(shè)計中選擇較小的墩身截面形式,除可以減少橋墩的工程用量外,還可以降低作用于基礎(chǔ)上的水平力、豎向力和彎矩,從而達(dá)到減少基礎(chǔ)的工程用量,降低工程造價的目的。
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