考慮地基影響高橋墩穩(wěn)定及水平位移實用計算方法

墩頂位移進行了分析。針對給出的墩身形函數(shù)，研究了地基彈性約束條件、無墩頂約束

等不同條件下墩頂水平位移的計算公式，并在該基礎上，給出了剛性基礎有墩頂約束時,

計算高墩墩頂水平位移的實用公式。

本文研究成果不但可在橋梁設計階段，為確定合理橋高范圍、橋墩形式以及受力狀

態(tài)提供技術支持，還可為下一步規(guī)范有關條款的修訂工作提供依據(jù)。

關鍵詞：高墩；穩(wěn)定性；計算長度；墩頂水平位移；橋墩類型

II

萬方數(shù)據(jù)

Abstract

Thisdissertationisinthebackgroundofthesub-topicPierFormComparisonand

StabilityResearchofMountionousBridges,whichisoneoftheR&Dprojectstakenby

CCCGTheKeyTechnologiesofResource-savingResearchinMountainousHighway

Construction.Thehighpierstabilityanalysisandhorizontaldisplacementtheoryismainly

usedtoseekthesensitivityparametersandtheirregularpatternofimpactonhighpierstability.

Takingtheinfluenceoffoundationonthehighpierstabilityintoconsideration,bythemeans

ofhorizontaldisplacementcalculationmethod,andrelyingonthedatacollectedbyinner

modeltestandmonitoringattheprojectsite,themethodofthestabilityanalysis,pier

calculatedlengthandhorizontaldisplacementcalculationsisverified.

Basedonthedomesticandforeignpresdentsituationanddevelopmentofstability

analysistheoryandhorizontaldisplacementcalculationmethodonbridges,thecalculationof

stabilitycalculationandhorizontaldisplacementsinthehighpierbridgehasimportant

significance.Especiallythelengthfactorhasgreatimpactonincreasingeccentricity

coefficient.ComparedwithBritishandAmericannorms,theexistingbridgespecificationin

Chinaisnotonlysketchy,andthevalueofthesafetyfactorisnotincluded.Designersoften

usetheirexperiencetocalculate,sothatitiseasilytoberadicalorconservativeindesigning

highpier;whilepiertophorizontaldisplacementcalculationshavebigdifferencesamongthe

variouscalculationmethods.

Thispaperreviewsthedevelopmentandresearchstatustofthepierstability,horizontal

displacementandthepiertypeonselectedbridges,andsortoutdifferenttypesandcable

systembridgecombedon12kindsofpylonpierbridges.Investigationofthepractical

applicationofhighbridgepier6highwaycompletedinrecentyearsinourcountryistaken,

andbasedonastatisticalanalysisof817samplesofhighpier213bridges,summarizethe

suitableheightintervalof4commonpiertype.

Inthispaper,energymethodisusedtoderivethesolvingtheequationofhighpier

constructionstageandoperationstageofthepiertopweightconcentratedverticalloadsof

criticalbucklingload.Throughfourtypesofpiertypeindifferentparameters,differentheight

ofpierundertheconditionsofthestabilityanalysis,thepieroneorderstabilitycoefficientin

50to60metersrangedecreasesquickly,theheightbetween60tand90metersisinflatregion.

Thepierundertheactionofaconcentratedload,thesameheightdistributionunderdifferent

in

萬方數(shù)據(jù)

pierstabilitycoefficientsizeisdispersing;thin-walledhollowpierstabilitycoefficientis

higherthanotherthreekindsofpiertype,especiallybetweenthe60and90meters.Basedon

theproject,twokindsofstabilityanalysisistakenandresultsshowesthatconsideringtwo

kindsofnonlineareffects,thecalculationresultsarelowerthanthevalues,thelinearstability

analysisresultisnotconservative,theultimatebearingcapacityislimit;nonlinearstability

analysisofthesteadylinenumberisgreaterthan1.58,whichmeetsthesafetyrequirements;

andthenumberofbeamsindoublecolumnpierin-planestabilityismonotoneincreasing.

Thispaperstudiesthatunderdifferentboundaryconditions,calculatedlengthofhigh

piermethodsareputforwardunderdifferentconditionsofhighpiercalculationlength

coefficient.Consideringthegeometricnonlinearpier,pierunderdifferentboundary

conditionsarederivedfirstordercalculationequationfordestabilizationcriticalforce,using

Eulerfbrmulacalculationlengthcoefficient.Undertheelasticfoundation,pierpierconditions

calculatedlengthandstandarddeviationis0.65%;underthebridgeintoarigidfoundation

pierscalculatedlengthandstandarddeviationislessthan1%;elasticfoundationpierbridge

statecalculationlengthandstandardlength,deviationislessthan0.5%,andthisformulais

verified.

Theshapefunctionisgiveninthispaper,amethodtocalculatethehorizontal

displacementofhighpierissetup.Basedontheprincipleofpotentialenergy,the

displacementofpiertopareanalyzed.Differentboundaryconditionsofhighpier

deformation^methodtocalculatethehorizontaldisplacementofhighpierisalsogiven.

Accordingtothegivendifferentmechanicalmodelsofboundaryconditionsofthepiershape,

fThemethodisderivedforelasticconstraintconditions,noformulaforcalculatingthepier

topconstraintsundervariousconditionssuchasthehorizontaldisplacementofthetopofpier.

Andonthebasisofrigidfoundationspracticalformulaforcalculatingthehorizontal

displacementofhighpierisproposedforaconstraintpieronthetop.

Theresearchachievementsnotonlyprovidetechnicalsupporttodeterminethe

reasonablerange,highpierbridgeformandstressstateinthestageofbridgedesigning,but

alsoprovidethebasisfortherevisionoftherelevantsectionsforspecification.

Keywords:Highpier;Stability;Calculationlengthofthepiertophorizontaldisplacement;

Piertype

4

萬方數(shù)據(jù)

目錄

第一章緒論..............................................................1

1.1概述..............................................................1

1.2高墩穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀................................................2

1.3計算長度系數(shù)研究現(xiàn)狀..............................................3

1.4墩頂水平位移研究現(xiàn)狀..............................................6

1.5墩型比選研究情況..................................................7

1.6本文的主要研究內(nèi)容...............................................10

第二章常見橋墩結構類型及其應用.........................................11

2.1概述.............................................................11

2.2實心橋墩.........................................................12

2.3空心橋墩.........................................................14

2.4纜索體系橋梁橋塔.................................................17

2.5混凝土勁性骨架超高墩.............................................19

2.6高速公路高墩應用情況.............................................21

2.7小結.............................................................25

第三章高墩穩(wěn)定及水平位移計算...........................................26

3.1穩(wěn)定問題.........................................................26

3.1.1靜力平衡法.................................................27

3.1.2能量法.....................................................28

3.1.3有限元法...................................................29

3.1.4動力法.....................................................32

3.1.5初始缺陷法.................................................32

3.2計算長度問題.....................................................33

3.2.1計算長度系數(shù)的應用.........................................33

3.2.2墩頂剛度...................................................35

3.2.3樁基柔度...................................................36

3.3墩頂水平位移問題.................................................36

3.4小結.............................................................38

5

萬方數(shù)據(jù)

第四章高墩穩(wěn)定分析方法研究.............................................39

4.1高墩穩(wěn)定分析方法.................................................39

4.1.1施工階段自重作用下裸墩的穩(wěn)定分析...........................39

4.1.2運營階段墩頂集中力作用下橋墩穩(wěn)定性分析.....................41

4.2高墩計算長度系數(shù)分析方法研究.....................................46

4.2.1施工階段彈性地基橋墩的計算長度分析.........................46

4.2.2運營階段剛性地基橋墩的計算長度分析.........................49

4.2.3運營階段彈性地基橋墩的計算長度分析.........................53

4.3施工階段自重作用下裸墩穩(wěn)定性分析實例.............................56

4.3.1圓柱式等截面實心墩.........................................56

4.3.2矩形等截面實心墩...........................................57

4.3.3矩形變截面實心墩...........................................58

4.3.4等截面空心薄壁墩...........................................59

4.4運營階段墩頂集中力作用下橋墩穩(wěn)定性分析實例.......................61

4.4.1圓柱式等截面實心墩.........................................61

4.4.2矩形等截面實心墩...........................................62

4.4.3矩形階梯式變截面實心墩.....................................63

4.4.4空心薄壁墩.................................................64

4.5高墩橋梁穩(wěn)定分析實例.............................................65

4.5.1工程概況...................................................65

4.5.2壓彎桿件穩(wěn)定計算原理.......................................65

4.5.3成橋狀態(tài)屈曲穩(wěn)定分析.......................................67

4.5.4施工階段屈曲穩(wěn)定分析.......................................70

4.5.5考慮雙重非線性的高墩穩(wěn)定分析...............................74

4.5.6橫系梁對高墩面內(nèi)穩(wěn)定的影響.................................80

4.6小結.............................................................86

第五章墩頂水平位移分析方法研究.........................................88

5.1施工階段彈性地基橋墩的墩頂水平位移...............................88

5.2運營階段墩頂位移分析.............................................90

5.3剛性基礎橋墩墩頂位移計算公式.....................................96

6

萬方數(shù)據(jù)

5.4墩頂水平位移分析實例.............................................97

5.4.1依托工程...................................................97

5.4.2荷載作用...................................................98

5.4.3墩頂水平力計算.............................................99

5.4.4總制動力計算...............................................99

5.4.5墩臺抗推剛度...............................................99

5.4.6支座的抗推剛度計算........................................101

5.4.7溫度力的計算..............................................101

5.4.8全橋有限元計算............................................102

5.5小結.............................................................102

第六章依托工程監(jiān)測及模型試驗...........................................103

6.1依托工程概況....................................................103

6.2現(xiàn)場監(jiān)測........................................................105

6.2.1監(jiān)測目的、內(nèi)容及應用分析...................................105

6.2.2現(xiàn)場監(jiān)測點布置............................................106

6.2.3橋墩應力監(jiān)測數(shù)據(jù)處理......................................107

6.2.4現(xiàn)場監(jiān)測情況..............................................109

6.2.5應力監(jiān)測結果及分析.........................................111

6.3室內(nèi)模型試驗....................................................114

6.3.1模型試驗基本情況...........................................114

6.3.2幾何材料參數(shù)及相似原理....................................114

6.3.3模型試驗方法...............................................116

6.3.4試驗現(xiàn)場情況..............................................117

6.3.5試驗結果分析...............................................119

6.4小結.............................................................122

第七章結論及展望.......................................................123

參考文獻................................................................125

攻讀學位期間取得的學術成果..............................................131

致謝..................................................................133

VII

萬方數(shù)據(jù)

長安大學博士學位論文

第一章緒論

1.1概述

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，公路交通逐漸“上山下?！保こ添椖棵鎸τ訌碗s的地形和

地質(zhì)條件。同時，在環(huán)境友好、資源節(jié)約，科學發(fā)展以及多元化投資的大背景下，投資

額、施工工期和施工標準化等要求也隨之加強，不斷影響著橋梁結構的發(fā)展。具體表現(xiàn)

為：一方面，纜索體系橋梁、連續(xù)剛構橋等大跨徑橋梁不再一味追求跨度、排名，尤其

是連續(xù)剛構的設計更加科學，不再輕易突破其合理跨徑E;另一方面，裝配式橋梁的適

用范圍逐步擴大，替代了一部分小跨徑連續(xù)剛構橋型。在此過程中，高橋墩的科研、設

計以及施工經(jīng)驗的不斷發(fā)展成為了工程發(fā)展的有利支撐。

墩高是指橋墩頂端到基礎頂面的長度，通常，高墩為大于40米的橋墩⑵。為了結構

安全和施工方便，建國初期建成的混凝土高橋墩大多為重力式實體橋墩。隨著橋梁建設

事業(yè)的發(fā)展，橋墩修建的越來越高，當其大于40米時，若要滿足受力要求，橋墩的尺

寸會急劇增大，導致工量太大，而不經(jīng)濟⑶。上世紀六十年代，國內(nèi)陸續(xù)建成了一批空

心橋墩?？招亩諏蚨盏妮p型化起到了很大作用，相關科研院所同步進行的理論分析、

橋梁模型實驗和實橋測試，均表明空心墩在高墩上有較強的適用性。同時，施工經(jīng)驗和

施工技術的不斷改進又促進了空心墩的應用和推廣，其優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)。七十年代后期

以前，碎高橋墩的壁厚大多為50至80厘米，在墩壁內(nèi)采取增加構造類鋼筋和設置橫、

縱隔板的措施。之后，墩身大多采用壁厚比較薄的鋼筋碎材料，通過設置里外兩層鋼筋，

不但方便了施工，而且省功省料，還降低了工程造價。上世紀七十年代建成的最高的空

心橋墩是襄渝線紫陽縣漢江大橋3#橋墩，高度達72米。上世紀八十年代建成的陜西罕

井到東坡礦鐵路的白水河1#橋，橋墩高度達到了75米。上世紀九十年代建成的侯月鐵

路海子溝大橋，橋墩高度達到81米⑶。目前，國內(nèi)橋墩最高已達180余米。

上世紀九十年代，橋梁建設逐漸向西部、海灣和山區(qū)發(fā)展，高墩迅速增多。截至目

前，對大跨徑橋梁高墩問題的研究較多，而對于數(shù)量更加龐大、更加常見、更為經(jīng)濟實

用的預制裝配式梁橋的高墩研究相對較少。但無論是纜索體系橋梁、連續(xù)剛構橋梁還是

裝配式橋梁，在橋墩（塔）達到一定高度后，穩(wěn)定性問題都將突出，適用范圍都將受到

限制。因此，在大跨徑橋梁穩(wěn)定性研究的基礎上，分析高橋墩穩(wěn)定性、計算長度和墩頂

水平位移，對選擇合理的橋梁類型、橋高范圍、橋墩形式、保證良好的受力狀態(tài)、方便

1

萬方數(shù)據(jù)

第一章緒論

施工以及節(jié)約建設投資，都具有重要的現(xiàn)實意義和工程應用價值。

1.2高墩穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

結構穩(wěn)定問題的研究歷史悠久。Eular于十八世紀四十年代就對壓桿變形問題進行

了研究，分析了彈性壓桿屈曲理論，給出了Eular公式；Eular發(fā)現(xiàn)，當軸力增大到一定

值時，桿件能夠保持直線平衡。然而，如果在這一點上，有一個小的外力干擾，它會使

它產(chǎn)生輕微的彎曲變形，并且如果撤銷這個力時，桿件將恢復原狀；但是，當軸壓力大

到某一值時，由任何附加的外力導致的彎曲變形，在附加的外力撤除之后，彎曲變形依

然會存在，甚至還將會有增加的趨勢，這種受力后變形的情況稱之為失去穩(wěn)定，也可以

說桿件的屈曲⑸。十九世紀八十年代末，Engesser.Fr提出拿切線模量與代替Eular公式

中的彈性模量，他認為在臨界荷載的作用下桿件開始彎曲時，桿件的凹側應力按照切線

模量不斷增大，而凸側應力則按照彈性模量不斷卸載，即有效模量是彈性模量和切線模

量的函數(shù)⑹。十九世紀九十年代初，Bryan.QH分析了矩形板在簡支邊界條件下單方向均

勻受壓時的穩(wěn)定問題;MicheLJ.H和Prandtl.L同時研究出有關梁體側傾問題的成果;1895

年，Engesser.Fr在Considere概念的基礎上導出了兩模量公式。1910年，Karman再次推

導該公式，并進行了大量的試驗來驗證該理論，所以，兩模量理論也可稱為

Considere—Engesser—Karman理論，屈曲時的假定小位移是該理論的討論基礎，僅能用

于求解壓桿在非彈性屈曲變形時的臨界荷載⑺。1947年，Shanley對上面兩種理論留存

的問題又進行了分析，將受壓桿件屈曲之后的有限度變形考慮進去，并通過試驗驗證提

出了更新的觀點，可用于分析非彈性受壓桿件后屈曲的性能。至此，基本解決了薄壁桿

件同時考慮受彎和扭轉條件下的屈曲問題。此后，橋梁結構的穩(wěn)定分析理論不斷進步，

特別是有限元法和計算機的發(fā)展開拓了更大的領域，不同荷載、邊界條件、各異的結構

構造、考慮殘余應力以及塑性變形的構件以及考慮彈塑性的復雜的桿件系統(tǒng)的穩(wěn)定性分

析研究得到發(fā)展。

橋梁結構失穩(wěn)事故的發(fā)生反而對橋梁穩(wěn)定理論的發(fā)展起到了促進的作用。1875年

俄羅斯KeB51a橋因為上弦桿失穩(wěn)，導致全橋發(fā)生破壞。加拿大Quebec橋于1907年在施

工階段,因下弦桿翹曲導致事故。1925年蘇聯(lián)Mo3blp橋也是因壓桿失穩(wěn)導致破壞。1970

年澳大利亞WestCate橋，拼設鋼箱梁時，由于跨中處上翼板屈曲，引起整跨跨塌網(wǎng)。

近代橋梁工程中由于大量應用輕型的薄壁式結構，又給穩(wěn)定問題提出了不少新問

2

萬方數(shù)據(jù)

長安大學博士學位論文

題。H.wagner、B.?B〃acoB對輕薄壁厚桿件的彎扭穩(wěn)定理論，證明了該桿件的臨界荷載

力遠低于Eular理論的臨界力，因無法采用分支點的理論來解讀，所以引入極值點失穩(wěn)

和躍動現(xiàn)象理論。跟隨工程技術進步，穩(wěn)定和非線性兩種理論的關系逐漸密切，想要接

近、探求、揭開復雜的穩(wěn)定理論的實質(zhì)，需要對結構的材料非線性和幾何非線性關系進

行深入的研究。

如今，隨著橋梁體量的增大、跨度變長、墩塔變高、箱梁變薄和高強材料使用增多，

結構的整體剛度或局部剛度隨之降低退化，局部失穩(wěn)的發(fā)生又會導致整個結構體系的

失穩(wěn)，所以盡管高強材料不斷應用，穩(wěn)定問題反而變得突出，失穩(wěn)現(xiàn)象仍然屢有發(fā)生。

1.3計算長度系數(shù)研究現(xiàn)狀

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTGD62-2004,以下簡稱

《04橋規(guī)》），橋墩計算長度系數(shù)〃的取值為：兩端均固定時，〃=0.5；一端固定、另一

端為不移動的較時，〃=0.7；兩端均為不移動的錢時，〃=1；一端固定、一端自由時，

〃=2⑼。

劉睿在《變截面墩柱計算長度理論研究》一文中指出：對于墩頂約束，現(xiàn)行規(guī)范對

墩頂?shù)募s束只概括成4種簡單的情況，而橋梁從施工到運營，橋型從簡支到剛構，其墩

頂約束剛度取值范圍幾乎涵蓋了從0?+8的全部取值；由于邊界條件情況復雜，上述4

種情況難以全面概括：如墩頂有一定剛度的約束；如墩底埋置于軟弱地基土層時，墩

頂和墩底的邊界條件難以確定等。而對于計算長度計算式中各參數(shù)的取值，如橋墩截

面慣性矩、墩底約束、墩頂約束等未給出更完善的解釋；樁身與地基土的相互作用非常

復雜，現(xiàn)行規(guī)范并未明確指出各種樁于土層的約束情況，而對于規(guī)范中所提出的四種

邊界條件也未能涵蓋地基土對樁身的影響，因此構件實際長度的選擇的準確性難免降

低1⑼。

齊宏學、高小妮指出在橋梁結構進行計算分析時，計算高橋墩橋梁的墩頂位移和高

橋墩的承載力等工況時，都要求解計算長度6而關于/o的計算方法，在橋梁工程界，

爭議延續(xù)至今。/o在幾何上的意義為：桿件軸心受壓導致失穩(wěn)后，撓曲線上相鄰兩個反

彎點（M=0）之間的長度；物理意義為：軸心受壓桿件在各種支撐條件下，它的臨界力

跟一個軸心受壓桿件（上下兩端均為錢支）的臨界力大小相等時，該軸心受壓桿件（上

下兩端均為錢支）的長度；在計算應用時，引入/o系數(shù)，運用公式/（）="/來計算，公式

中，/為桿件兩個支點之間的長度。文獻主要研究了裝配式梁橋高橋墩的/（）系數(shù)，通過

3

萬方數(shù)據(jù)

第一章緒論

分析得出：①〃隨橋墩剛度增大而增大，兩者呈正比。橋墩剛度較大時，〃接近于2,

此時構件的長細比在50左右；橋墩剛度較小時，〃接近于1。因此，在考慮墩頂水平彈

性支撐情況下，對于前者，可以選用上端自由、下端固結的計算模式；對于后者，可以

選用上、下兩端均為銳接的計算模式。②對于多跨一聯(lián)的裝配式梁橋，當為3跨時，墩

柱的〃最大，且其值不會超過2；當為2跨時，其值最??；當多于3跨時，跨數(shù)越多則

〃越小，且這種規(guī)律隨著墩高的增加越來越明顯。③影響〃的因素較多，范圍也大，這

與影響結構穩(wěn)定的參數(shù)較多有關，他們對〃都會產(chǎn)生一定的影響。如果同一座橋中采用

了很多類型的橋墩時，〃的變化會更大口”。

文獻【⑵研究了計算長度系數(shù)和橋墩橫斷面之間的關系，得到：如果橋墩剛度較大，

可看作上端較接、下端固結；如果橋墩剛度較小，可采用下端固結的懸臂梁作為分析模

型，文獻中未模擬支座剛度，所得到的計算長度系數(shù)比實際值要小。

文獻”刃在小撓度理論的基礎上，推導了受壓桿件的通用穩(wěn)定特征方程，然后通過對

方程試算，求得計算長度；在推導方程時，忽略了壓桿剪切變形和自重的影響，對于特

柔或特高墩，這樣的處理可能產(chǎn)生一定的誤差；雖然現(xiàn)行《04橋規(guī)》對壓彎桿件的強度

驗算考慮了偏心距增大系數(shù)，但對于特柔和特高墩的強度驗算可能會偏危險，還應進

一步研究其幾何非線性的影響。

文獻［可⑸研究了橋梁在施工以及運營時的穩(wěn)定性，并提出了簡化適用公式；研究

時，把橋墩看作懸臂梁，墩底固結，如在黃土地區(qū)經(jīng)常見到的樁基礎的橋墩則不適用。

文獻?網(wǎng)利用能量法，把彈性地基的變位效應與彈簧進行等效，對橋墩自重荷載作用

下的穩(wěn)定性進行了非常詳細的分析，推導了公式，并且跟一般橋墩（不計算彈性地基

的變形效應）的穩(wěn)定性進行了對比，得出了結論。因僅對橋墩下部邊界條件進行了等效

模擬，適用于橋墩頂端自由的情況。

文獻〔⑺通過將墩頂支座模擬為水平位移以及轉角位移的約束，不考慮壓桿自重影

響，假定壓桿軸心受壓的理想情況，給出了臨界荷載的計算公式。

中交公路規(guī)劃設計院的袁倫一整理比較了中、美、英三國規(guī)范的計算長度規(guī)定〔⑹，

表明：國內(nèi)和國外標準對橋墩計算（有效）長度/o的規(guī)定較為相近。有效長度，就是將

不同支承邊界條件下的桿件或墩柱的長度，等效為非變截面、上下兩端是不能移動的

錢支（兩個鏈桿）的桿件的長度。在預應力碎和鋼筋碎結構中，計算長度用來查取墩柱

的穩(wěn)定系數(shù)8以及用來計算偏心距的放大系數(shù)〃。我國的《04橋規(guī)》、美國的AASHT014

版規(guī)范和英國的BS5400規(guī)范中有關計算長度/o的規(guī)定見表l.lo

4

萬方數(shù)據(jù)

長安大學博士學位論文

表1.1中國、美國、英國規(guī)范橋墩計算長度系數(shù)對照

橋墩的邊界條件計算長度系數(shù)M

序號

中國美國英國

頂端底端

JTGD64AASHTOBS5400

1固結固結0.50.65/0.500.7

2較接固結0.70.8/0.70.85

3錢接較接11/11

4橡膠支座固結--1.3

5較接，但錢的支座可移動固結--1.4

6固結但可移動固結-1.2/11.5

7較接但可移動固結22.1/22.3

8固結但可移動較接-2/2-

附注1:美國規(guī)范中，分母是理論值，分子是理論近似值，也是偏保守采用值。

從上表看出，我國規(guī)范規(guī)定數(shù)值為理論值，美國與英國規(guī)范則從安全考慮口9][2叱

取值較理論值大，其中英國規(guī)范取值最大，取L5/（上端固結但可移動）和2.3/（上端

較接但可移動）；美國規(guī)范則取L2/和2.1/；我國規(guī)范取值最小，且規(guī)定的情況也最少；

但現(xiàn)實工程的邊界條件情況，常常與表中所列情況有一定的區(qū)別。例如，在橋墩與上部

梁體較接或者固結時，因為橋墩有一定的柔性，由于混凝土收縮、徐變和溫度變化，橋

墩頂端會由于橋梁上部結構伸縮而發(fā)生水平移動，移動以及移動的大小將影響計算長度

的結果，而墩頂移動量與梁的剛度有關，同時與墩頂及相鄰墩頂?shù)目雇苿偠纫灿休^大且

直接的關系，因此可以統(tǒng)籌考慮對象橋墩和相鄰橋墩的抗推剛度以及橋墩間相互約束的

關系，來求取計算長度；橋墩頂端按錢接考慮時，沒有考慮高橋墩墩梁通過焊接鋼板固

結的情況；規(guī)范中的墩梁固結，其中梁應為剛度無限大，墩頂完全固結于梁內(nèi)，實際上

這種情況難以做到且不存在；考慮墩頂與梁較接，用于連續(xù)剛構更加偏于安全。

在《04橋規(guī)》第5.3.10條偏心受壓構件承載力計算公式中，對于高橋墩，計算長

度/（）對偏心距增大系數(shù)影響很大，結構承載力的重要因素，然而4）的取值卻缺乏依據(jù)，

多采用經(jīng)驗值，設計人員常根據(jù)經(jīng)驗確定，從1?2.5都有采用。這種情況導致了計算

長度的取值隨意性增大，逐漸演變?yōu)樵诟邩蚨赵O計過程中，參照原有圖紙進行放大設

計情況的

萬方數(shù)據(jù)

第一章緒論

增多，橋墩設計的越來越保守，造成工程上的浪費。

1.4墩頂水平位移研究現(xiàn)狀

德國《鐵路橋梁和其他工程結構物規(guī)范》（DS804）0H22]規(guī)定了時速大于160公里

/小時區(qū)段內(nèi)，梁端折角不準超過1%。的限值，荷載包含離心荷載、搖擺荷載、風荷載、

溫差荷載和地基位移所造成的轉動，較為嚴格。

歐盟《高速鐵路橋梁標準》（ENV1991-3:1995）對墩頂水平位移的控制措施包括“最

大橫向水平折角”以及“最小曲線半徑R”，要求在車速120公里/小時至220公里/小時

速度區(qū)域內(nèi)，折角不得超過2.0%。，單線時最小曲線半徑R=6000m,多線時最小曲線半

徑R=9500m[23]o

日本《鐵路結構設計規(guī)范與釋義》㈤根據(jù)時速與跨度的不同，分級控制橋上軌道的

變位大小。當v=160km/h時，在跨度小于30米條件下，其折角限值為3.5%。；在跨度大

于等于30米條件下，其折角限值為4%。。

綜合上述3個國家的技術標準，德國規(guī)范中荷載效應考慮比較全面，對位移量的限

制也最為嚴格；歐盟標準中，荷載效應與德國標準比較接近；日本規(guī)范因僅考慮活載效

應，對于極限位移的規(guī)定最為寬松必】。

國外對于墩頂水平位移國的研究，無論是梁的模型設置，還是荷載組合的選取，并

無較為統(tǒng)一的模型和荷載組合取值，所以研究結果也有較大差異〔26-39〕。

我國鐵路規(guī)范對墩頂水平位移的限制經(jīng)歷了幾次變化：《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運

函[2004]120號）HO〕，其思路和老規(guī)范⑷]較為一致，規(guī)定高墩（耳/522.5）的墩頂橫向最

大振幅為公低墩QH、/B（25）的墩頂橫向振幅為4m=/（"）；《鐵路

橋涵設計基本規(guī)范》（TB1002.1-1999嚴1規(guī)定，墩臺頂帽橫橋方或順橋向的彈性水平位移

△W5/~L（L為橋跨長度，單位為米，彈性水平位移單位為毫米）；新《鐵路橋梁設計規(guī)范》

（TB10002.1—2005）陽】對墩頂橫向位移的限值，采用了國際上的通行做法，即限制梁體

的水平折角小于1%。，水平折角為由于橋墩（臺）橫向水平位移大小不同而導致的相鄰

結構物的軸線形成的角度。

吳定俊、陳一鳴說明了《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中墩頂振幅限值的應用范圍和來源依

據(jù)，提出了采用等效剛度法來計算輕型橋墩的墩頂位移限值ML

白青俠、宋一凡考慮基礎彈性約束邊界條件，采取能量原理對高橋墩進行了幾何非

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萬方數(shù)據(jù)

長安大學博士學位論文

線性分析，橋墩的形函數(shù)通過將墩身彈性變形、基礎平動以及轉動導致的剛體位移之和

來組合構造；結論表明，高橋墩面對彈性基礎時，地基彈性位移和幾何非線性的影響都

不能忽視“力。

程翔云以變截面高墩為研究對象，用Newmark法來分析高墩的幾何非線性效應，

提出了用等效的墩頂集中力替代橋墩中的分布壓力，計算結果與考慮非線性的有限元模

型的計算值比較一致。利用Rayleigh-Ritz法，提出的墩頂位移計算公式比Newmark法的

更簡單，提出了等效等直截面懸臂墩和等效水平力2個概念，并且考慮了板式橡膠支座

的抗推能力口句；田仲初、程祥云又針對橋面簡易連續(xù)的多跨裝配式橋梁和采用板式橡膠

支座的高橋墩，提出了計算高墩的計算圖式和計算方法147】。

馬朝霞推導了在基礎彈性和剛性約束邊界條件下，且墩頂有約束時，墩頂?shù)奈灰乒?/p>

式，分析認為，在彈性基礎條件下，有必要考慮基礎和墩頂?shù)募s束條件，但是文章中采

用了實際墩高作為計算長度，未考慮一端約束另一端自由或兩端均約束時的橋墩計算長

度【48］。陳興沖將橋墩簡化成懸臂梁，質(zhì)量集中在墩頂，采用轉動及平動彈簧來模擬地基

彈性變形，采用Rayleigh-Ritz法推導了橋墩基頻和基底約束剛度的關系149】。

李建、張炎在將壓桿簡化成墩底固結墩頂錢接、且把支座簡化為彈性約束的條件下，

推導了高橋墩在存在墩頂約束條件下的位移公式，結果表明考慮彈性約束時對墩頂位移

的影響較大網(wǎng)】；粟偉、趙建三等卬則介紹了一種通過多套設施設備監(jiān)控墩頂位移的方法；

文獻畫計算了連續(xù)梁橋在計入支座摩阻力情況下的墩頂力學參數(shù)；殷曉明、謝耀輝等［53］

運用能量法原理，推導出高橋墩在不同位置受到約束時的臨界力變化規(guī)律，得到了若橋

梁基樁較長，應盡可能地在靠近樁頂部多增加約束以避免失穩(wěn)的結論。

以上相關文獻表明，對墩頂水平位移的計算還沒有統(tǒng)一的定論，且在計算方法上也

有較大出入，研究獲得的成果尚未較好的與工程實踐結合。

1.5墩型比選研究情況

早在1977年，西南交通大學《柔性橋墩》一書中就對柔性墩的特點和類型進行了

介紹和比較，我國鐵路上第一座柔性橋墩出自成昆鐵路，采用剛架式，高13—16米，

上部結構為16米的簡支梁，采用固定支座與墩相接。書中將柔性墩分為剛架式、排架

式和板壁式，當時僅通過對已建成橋墩經(jīng)過通車和試驗情況的觀察和調(diào)查，表明幾種橋

墩的應用比較滿意，認為排架式柔性墩節(jié)省坊工、施工進度較快，對橋墩的結構形式和

7

萬方數(shù)據(jù)

第一章緒論

尺寸、支座構造、墩頂橫向約束、上部梁體架設、墩身溫度應力、墩高與梁跨、水平力

如何傳遞等還處于不斷試驗和分析階段鐵道第三勘察設計院的周津斌155］結合鐵道

部350公里客專空心墩通用圖的編制工

作，對圓端形、矩形墩的五種方案，考慮工程量、剛度控制、施工便利以及外形等幾個

方面進行了比較，總結出了高鐵橋梁空心墩設計的規(guī)律。結果表明矩形墩比圓端形墩能

夠節(jié)省工程量，且模板倒用率也高，但是適用范圍偏小。

周華毅闡針對山區(qū)高速公路是采用分離式雙柱墩還是整體式三柱墩、以及橫坡陡峭

時的墩柱形式選擇進行了比較論述，推薦采用分離式雙柱墩。

張小月、陳艾榮等卬］以夏蓉高速水都段T梁橋高墩合理形式及應用研究為依托，對

國內(nèi)外高墩橋梁橋墩造型的應用進行了研究；文中提出，通過調(diào)研，西部高等級公路中，

有高墩橋梁的比例超過了四成；在高墩橋梁中，橋墩是重要的結構單元，其景觀效果對

橋梁整體景觀方面的影響很大，墩型選擇應注重與環(huán)境的協(xié)調(diào)；論文考慮透視效果、橋

墩修棱、均勻過渡、挖空切割、審美心理、開闊通透以及墩型對經(jīng)濟性的影響等方面，

對20m至80m以上的橋墩進行了總結、分析、比選，提出了墩型選擇應綜合考慮承載

力、經(jīng)濟性和造型美觀的完美結合的觀點。

劉鋼成、王耀軍的針對新建山西長治安陽高速公路兩座峽谷橋梁的結構類型進行技

術、經(jīng)濟的比選，從橋墩選型影響橋梁結構形式的角度進行了分析。在最大墩高64m的

情況下，槐樹坪大橋采用7跨40mT梁比采用(75+130+75)m連續(xù)剛構可節(jié)省建安費

735萬元；白母塘大橋采用(11x40+5x35)mT梁方案可比(30+45+6x78+45+30)m連

續(xù)剛構節(jié)省建安費2200萬元。除此之外，從施工的難易程度、工期、養(yǎng)護成本等角度,

T梁方案也均優(yōu)于剛構連續(xù)梁方案。

中交一院的張志平、賈偉紅【59】通過對咸至淳旬高速公路中三水河特大橋(跨徑布置

為98m+5xl85m+98m)8種橋墩形式的選擇，從力學性能、整體性、穩(wěn)定性等方面進行

了綜合比較，分析了超高墩(最大墩高183m)長聯(lián)(聯(lián)長1121m)大跨度連續(xù)剛構橋

墩形式的比選；通過對單肢薄壁空心墩和雙肢薄壁空心墩的比較分析，如圖1.1所示，

得出單肢薄壁空心墩比雙肢薄壁空心墩節(jié)省工程量、有利于造價；單肢墩施工階段的安

全性大于雙肢墩；風力較大時，單肢墩抗扭能力強、抗彎剛度大、利于施工安全；無論

采用單肢或雙肢墩，橫橋向兩幅橋橋墩之間宜設置橫向聯(lián)系；滑?；蚺滥Ｊ┕ざ家瞬捎?/p>

簡潔的形狀，單肢比雙肢施工便利的結論；最后，該特大橋中間4個高主墩均采用單肢

矩形薄壁空心墩，2個較矮邊主墩采用了雙肢薄壁空心墩。

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萬方數(shù)據(jù)

長安大學博士學位論文

圖1.1三水河特大橋總體布置對比圖

中交二院的歐陽青、王艷、王艷華網(wǎng)］通過對黔江至彭水公路瓦窯堡特大橋（跨徑布

置為71m+3x125m+71m）3種橋墩（最大墩高79m）形式的選擇，通過強度計算和

穩(wěn)定計算，得出雙薄壁墩與組合式（上半部分雙肢、下半部分單肢）橋墩有一定經(jīng)濟性

優(yōu)勢；雙薄壁墩在施工中最大懸臂時刻的安全系數(shù)較低；穩(wěn)定方面，單肢墩強于組合式、

組合式強于雙肢墩；設置橫系梁是提高穩(wěn)定性的有效方法，將雙肢墩與空心墩相結合的

組合式橋墩也是提高墩穩(wěn)定性的較好形式。

時翠芳Ei】綜合考慮力學