摘要：本文介紹了空心墩的類型、施工方法。針對連續剛構橋中經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定性等方面的影響,對連續剛構設計中橋墩結構形式的選擇進行分析。
　　關鍵字：連續剛構橋、翻轉模板、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,設計時,一般墩身強度必須大于地基承載力,墩的承載力應由地基承載力來控制。實心墩墩身直徑大,墩身強度一般遠高于地基承載力,材料浪費較多,采用空心墩就是使墩內部形成空腔,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用,但空心墩設計理論仍然不完善,國家也沒有相應的規范,本文對空心墩的設計理論作初步探討。
　　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當兩柱較近,設計成單孔有困難時,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壁,然后直接把護壁作為承重的結構,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當墩底支承于強風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。當墩頂施加荷載P時,砼墩身產生壓縮變形,墩身與墩側土之間會產生相對位移,但其值較小,P值全部由墩壁摩阻力所承擔。P值增大,墩與墩側土的相對位移增大,墩壁摩擦阻力增大,墩底土的豎向阻力逐步產生,當P繼續增大時,墩與墩側面土的相對位移繼續增大,摩擦力最后達到極限。P值再繼續增加,墩底土的端阻力迅速增加到極限值。據有關試驗資料,在硬塑粘土中,摩阻力占總荷載75%左右,在強風化巖中約占60%左右,屬于磨擦樁。
　　2.3.2當墩底支承于中等風化或微風化巖層時,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,墩側阻力因樁土相對位移小而不能發揮,而且數值較小,此時墩端阻力對墩的承載力起主要作用,故設計時只考慮墩端阻力,按端承墩設計。
　　3.空心墩施工方法
　　二、主要施工工藝
　　（一）模板設計與制作
　　由于翻模配套設備要求較少，施工機具投入小；混凝土外觀質量容易控制，施工糾偏容易，可以連續或間斷施工，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行統計，計算出各墩所需模板節數和調節段高度，按最高墩身確定所需加工的模板節數。根據墩身各部尺寸外模采用整體鋼模板，內模采用定型鋼模板。由于墩身高，模板倒用次數多，鋼外模面板使用6mm厚鋼板制作，模板設有[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量。
　　該橋薄壁墩身的四個拐角設計為直角，但直角的砼容易發生掉角、漏漿的質量通病，因此在設計模板時，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量。
　　（二）墩身施工工藝
　　該橋高墩施工采用分節翻模澆筑法，因墩身較高，綜合考慮了節段施工時間、機具長度及鋼筋配料和減少砼施工縫的數量的目的，墩柱模板均采用定型大塊鋼模，一套4節（2節3米和2節1.5米），每4.5m翻升一次；除墩底9m一次施工外，以上按4.5m/節循環施工。，每次翻模3+1.5m，總共9m。施工時，除第一道澆筑9米外,其余節段每次澆注2節模板的高度，即每次翻2層模板，澆筑4.5m高的砼，待混凝土強度達到2.5MPa后再立第二節模板，這樣逐節升高，直至墩身澆筑完畢。
　　
　　4．空心墩和實心墩對連續剛構橋受力影響的比較
　　4.1計算模型及結果
　　連續剛構橋當采用雙肢薄壁空心墩或實心墩時,不同的橋墩高度、墩身厚度都會對梁體產生不同的影響。為此,假定某公路連續剛構橋的跨度布置為(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剛構受力的影響;
　　(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剛構受力的影響;
　　(3)實心墩截面厚度h=1.6m為上述二者的平均值。
　　利用有限元程序對上述結構進行分析計算,結果見表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,計算分為設墩間橫系梁和不設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、墩高下屈曲穩定特征值比較
　　橋墩截
　　面形式 墩高
　　/m 設墩間橫系梁 不設墩間橫系梁
　　  特征值
　　失穩模態 特征值
　　失穩模態
　　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 側傾 12.9 縱傾
　　 60 20.7 側傾 5.3 縱傾
　　 80 18.3 側傾 2.8 縱傾
　　實心墩
　　h=2.0m 40 36.3 側傾 23.6 縱傾
　　 60 22.7 側傾 9.6 縱傾
　　 80 19.2 側傾 5.0 縱傾
　　空心墩
　　h=2.0m 40 30.7 側傾 22.3 縱傾
　　 60 21.2 側傾 9.5 縱傾
　　 80 19.2 側傾 5.1 縱傾
　　4.2計算結果分析
　　(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,但數值的增減幅度均較小,特別是墩頂的負彎矩值的變化量小于2%,可以認為在墩高達到一定數值后,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,這對基礎的設計非常有利。但由于全橋的屈曲穩定特征值隨墩高的增加而減小,因此高墩大跨度連續剛構橋的墩身截面尺寸對剛構橋的穩定性有較大的影響。
　　(2)隨著實心墩厚度的逐漸增大,橋墩的抗彎剛度也相應增加,主梁的邊跨峰值及墩頂負彎矩也逐漸增大,但中跨的正彎矩卻逐漸減小。一般說來,連續剛構的控制彎矩多發生在墩頂負彎矩處,因此從減少墩頂負彎矩出發,一般應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、降低基礎豎向力出發,設計中應盡量選擇空心墩截面。但空心墩施工較為復雜,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主要考慮穩定性的影響。在穩定性控制的情況下,從節約工程量出發應盡量考慮采用空心墩;在穩定性不控制的情況下,應盡量采用實心墩,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上的水平力、豎向力和彎矩,從而達到減少基礎的工程用量,降低工程造價的目的。
　　參考文獻
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