考慮地基影響高橋墩穩(wěn)定及水平位移實(shí)用計(jì)算方法

墩頂位移進(jìn)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(jì)算公式，并在該基礎(chǔ)上，給出了剛性基礎(chǔ)有墩頂約束時(shí),

計(jì)算高墩墩頂水平位移的實(shí)用公式。

本文研究成果不但可在橋梁設(shè)計(jì)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(shù)支持，還可為下一步規(guī)范有關(guān)條款的修訂工作提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高墩；穩(wěn)定性；計(jì)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(jì)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(jié)構(gòu)類型及其應(yīng)用.........................................11

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

2.2實(shí)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(yīng)用情況.............................................21

2.7小結(jié).............................................................25

第三章高墩穩(wěn)定及水平位移計(jì)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(jì)算長度問題.....................................................33

3.2.1計(jì)算長度系數(shù)的應(yīng)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(jié).............................................................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(yùn)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(jì)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(jì)算長度分析.........................46

4.2.2運(yùn)營階段剛性地基橋墩的計(jì)算長度分析.........................49

4.2.3運(yùn)營階段彈性地基橋墩的計(jì)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(shí)例.............................56

4.3.1圓柱式等截面實(shí)心墩.........................................56

4.3.2矩形等截面實(shí)心墩...........................................57

4.3.3矩形變截面實(shí)心墩...........................................58

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

4.4運(yùn)營階段墩頂集中力作用下橋墩穩(wěn)定性分析實(shí)例.......................61

4.4.1圓柱式等截面實(shí)心墩.........................................61

4.4.2矩形等截面實(shí)心墩...........................................62

4.4.3矩形階梯式變截面實(shí)心墩.....................................63

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

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

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

4.5.2壓彎桿件穩(wěn)定計(jì)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(jié).............................................................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(yùn)營階段墩頂位移分析.............................................90

5.3剛性基礎(chǔ)橋墩墩頂位移計(jì)算公式.....................................96

6

萬方數(shù)據(jù)

5.4墩頂水平位移分析實(shí)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(jì)算.............................................99

5.4.4總制動力計(jì)算...............................................99

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

5.4.6支座的抗推剛度計(jì)算........................................101

5.4.7溫度力的計(jì)算..............................................101

5.4.8全橋有限元計(jì)算............................................102

5.5小結(jié).............................................................102

第六章依托工程監(jiān)測及模型試驗(yàn)...........................................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(yīng)用分析...................................105

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

6.2.3橋墩應(yīng)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(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及分析.........................................111

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

6.3.1模型試驗(yàn)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(yàn)方法...............................................116

6.3.4試驗(yàn)現(xiàn)場情況..............................................117

6.3.5試驗(yàn)結(jié)果分析...............................................119

6.4小結(jié).............................................................122

第七章結(jié)論及展望.......................................................123

參考文獻(xiàn)................................................................125

攻讀學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果..............................................131

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

VII

萬方數(shù)據(jù)

長安大學(xué)博士學(xué)位論文

第一章緒論

1.1概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，公路交通逐漸“上山下海”，工程項(xiàng)目面對愈加復(fù)雜的地形和

地質(zhì)條件。同時(shí)，在環(huán)境友好、資源節(jié)約，科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)化等要求也隨之加強(qiáng)，不斷影響著橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展。具體表現(xiàn)

為：一方面，纜索體系橋梁、連續(xù)剛構(gòu)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(gòu)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)，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(kuò)大，替代了一部分小跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋型。在此過程中，高橋墩的科研、設(shè)

計(jì)以及施工經(jīng)驗(yàn)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(chǔ)頂面的長度，通常，高墩為大于40米的橋墩⑵。為了結(jié)構(gòu)

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(shí)體橋墩。隨著橋梁建設(shè)

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

寸會急劇增大，導(dǎo)致工量太大，而不經(jīng)濟(jì)⑶。上世紀(jì)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(guān)科研院所同步進(jìn)行的理論分析、

橋梁模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)橋測試，均表明空心墩在高墩上有較強(qiáng)的適用性。同時(shí)，施工經(jīng)驗(yàn)和

施工技術(shù)的不斷改進(jìn)又促進(jìn)了空心墩的應(yīng)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(gòu)造類鋼筋和設(shè)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(shè)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(jià)。上世紀(jì)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(dá)72米。上世紀(jì)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(dá)到了75米。上世紀(jì)九十年代建成的侯月鐵

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

上世紀(jì)九十年代，橋梁建設(shè)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(jì)實(shí)

用的預(yù)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(gòu)橋梁還是

裝配式橋梁，在橋墩（塔）達(dá)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(chǔ)上，分析高橋墩穩(wěn)定性、計(jì)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(shè)投資，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1.2高墩穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的研究歷史悠久。Eular于十八世紀(jì)四十年代就對壓桿變形問題進(jìn)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(dāng)軸力增大到一定

值時(shí)，桿件能夠保持直線平衡。然而，如果在這一點(diǎn)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(shí)，桿件將恢復(fù)原狀；但是，當(dāng)軸壓力大

到某一值時(shí)，由任何附加的外力導(dǎo)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(jì)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(rèn)為在臨界荷載的作用下桿件開始彎曲時(shí)，桿件的凹側(cè)應(yīng)力按照切線

模量不斷增大，而凸側(cè)應(yīng)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(jì)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(shí)的穩(wěn)定問題;MicheLJ.H和Prandtl.L同時(shí)研究出有關(guān)梁體側(cè)傾問題的成果;1895

年，Engesser.Fr在Considere概念的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了兩模量公式。1910年，Karman再次推

導(dǎo)該公式，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)來驗(yàn)證該理論，所以，兩模量理論也可稱為

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

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

的問題又進(jìn)行了分析，將受壓桿件屈曲之后的有限度變形考慮進(jìn)去，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證提

出了更新的觀點(diǎn)，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(shí)考慮受彎和扭轉(zhuǎn)條件下的屈曲問題。此后，橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析理論不斷進(jìn)步，

特別是有限元法和計(jì)算機(jī)的發(fā)展開拓了更大的領(lǐng)域，不同荷載、邊界條件、各異的結(jié)構(gòu)

構(gòu)造、考慮殘余應(yīng)力以及塑性變形的構(gòu)件以及考慮彈塑性的復(fù)雜的桿件系統(tǒng)的穩(wěn)定性分

析研究得到發(fā)展。

橋梁結(jié)構(gòu)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(jìn)的作用。1875年

俄羅斯KeB51a橋因?yàn)樯舷覘U失穩(wěn)，導(dǎo)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(dǎo)致事故。1925年蘇聯(lián)Mo3blp橋也是因壓桿失穩(wěn)導(dǎo)致破壞。1970

年澳大利亞WestCate橋，拼設(shè)鋼箱梁時(shí)，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(yīng)用輕型的薄壁式結(jié)構(gòu)，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(xué)博士學(xué)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(yuǎn)低于Eular理論的臨界力，因無法采用分支點(diǎn)的理論來解讀，所以引入極值點(diǎn)失穩(wěn)

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

近、探求、揭開復(fù)雜的穩(wěn)定理論的實(shí)質(zhì)，需要對結(jié)構(gòu)的材料非線性和幾何非線性關(guān)系進(jìn)

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(qiáng)材料使用增多，

結(jié)構(gòu)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(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)體系的

失穩(wěn)，所以盡管高強(qiáng)材料不斷應(yīng)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(jì)算長度系數(shù)研究現(xiàn)狀

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004,以下簡稱

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

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

〃=2⑼。

劉睿在《變截面墩柱計(jì)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(yùn)營，橋型從簡支到剛構(gòu)，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(fù)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(shí)，墩

頂和墩底的邊界條件難以確定等。而對于計(jì)算長度計(jì)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(fù)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(gòu)件實(shí)際長度的選擇的準(zhǔn)確性難免降

低1⑼。

齊宏學(xué)、高小妮指出在橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，計(jì)算高橋墩橋梁的墩頂位移和高

橋墩的承載力等工況時(shí)，都要求解計(jì)算長度6而關(guān)于/o的計(jì)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(dǎo)致失穩(wěn)后，撓曲線上相鄰兩個反

彎點(diǎn)（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(shí)，該軸心受壓桿件（上

下兩端均為錢支）的長度；在計(jì)算應(yīng)用時(shí)，引入/o系數(shù)，運(yùn)用公式/（）="/來計(jì)算，公式

中，/為桿件兩個支點(diǎn)之間的長度。文獻(xiàn)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(shí)，〃接近于2,

此時(shí)構(gòu)件的長細(xì)比在50左右；橋墩剛度較小時(shí)，〃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(jié)的計(jì)算模式；對于后者，可以

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

柱的〃最大，且其值不會超過2；當(dāng)為2跨時(shí)，其值最?。划?dāng)多于3跨時(shí)，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(jié)構(gòu)穩(wěn)定的參數(shù)較多有關(guān)，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(shí)，〃的變化會更大口”。

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

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

型，文獻(xiàn)中未模擬支座剛度，所得到的計(jì)算長度系數(shù)比實(shí)際值要小。

文獻(xiàn)”刃在小撓度理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)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(jì)算長度；在推導(dǎo)方程時(shí)，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(qiáng)度

驗(yàn)算考慮了偏心距增大系數(shù)，但對于特柔和特高墩的強(qiáng)度驗(yàn)算可能會偏危險(xiǎn)，還應(yīng)進(jìn)

一步研究其幾何非線性的影響。

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

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

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

下的穩(wěn)定性進(jìn)行了非常詳細(xì)的分析，推導(dǎo)了公式，并且跟一般橋墩（不計(jì)算彈性地基

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

模擬，適用于橋墩頂端自由的情況。

文獻(xiàn)〔⑺通過將墩頂支座模擬為水平位移以及轉(zhuǎn)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(jì)算公式。

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

表明：國內(nèi)和國外標(biāo)準(zhǔn)對橋墩計(jì)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(yù)應(yīng)力碎和鋼筋碎結(jié)構(gòu)中，計(jì)算長度用來查取墩柱

的穩(wěn)定系數(shù)8以及用來計(jì)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(guān)計(jì)算長度/o的規(guī)定見表l.lo

4

萬方數(shù)據(jù)

長安大學(xué)博士學(xué)位論文

表1.1中國、美國、英國規(guī)范橋墩計(jì)算長度系數(shù)對照

橋墩的邊界條件計(jì)算長度系數(shù)M

序號

中國美國英國

頂端底端

JTGD64AASHTOBS5400

1固結(jié)固結(jié)0.50.65/0.500.7

2較接固結(jié)0.70.8/0.70.85

3錢接較接11/11

4橡膠支座固結(jié)--1.3

5較接，但錢的支座可移動固結(jié)--1.4

6固結(jié)但可移動固結(jié)-1.2/11.5

7較接但可移動固結(jié)22.1/22.3

8固結(jié)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(jié)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(shí)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(jié)時(shí)，因?yàn)闃蚨沼幸欢ǖ娜嵝?，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(jié)構(gòu)伸縮而發(fā)生水平移動，移動以及移動的大小將影響計(jì)算長度

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

直接的關(guān)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(guān)系，來求取計(jì)算長度；橋墩頂端按錢接考慮時(shí)，沒有考慮高橋墩墩梁通過焊接鋼板固

結(jié)的情況；規(guī)范中的墩梁固結(jié)，其中梁應(yīng)為剛度無限大，墩頂完全固結(jié)于梁內(nèi)，實(shí)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(gòu)更加偏于安全。

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

度/（）對偏心距增大系數(shù)影響很大，結(jié)構(gòu)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(yàn)值，設(shè)計(jì)人員常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，從1?2.5都有采用。這種情況導(dǎo)致了計(jì)算

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

計(jì)情況的

萬方數(shù)據(jù)

第一章緒論

增多，橋墩設(shè)計(jì)的越來越保守，造成工程上的浪費(fèi)。

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(jié)構(gòu)物規(guī)范》（DS804）0H22]規(guī)定了時(shí)速大于160公里

/小時(shí)區(qū)段內(nèi)，梁端折角不準(zhǔn)超過1%。的限值，荷載包含離心荷載、搖擺荷載、風(fēng)荷載、

溫差荷載和地基位移所造成的轉(zhuǎn)動，較為嚴(yán)格。

歐盟《高速鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)》（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(shí)至220公里/小時(shí)

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

徑R=9500m[23]o

日本《鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與釋義》㈤根據(jù)時(shí)速與跨度的不同，分級控制橋上軌道的

變位大小。當(dāng)v=160km/h時(shí)，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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，德國規(guī)范中荷載效應(yīng)考慮比較全面，對位移量的限

制也最為嚴(yán)格；歐盟標(biāo)準(zhǔn)中，荷載效應(yīng)與德國標(biāo)準(zhǔn)比較接近；日本規(guī)范因僅考慮活載效

應(yīng)，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(shè)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(jié)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(yùn)

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(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB1002.1-1999嚴(yán)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(shè)計(jì)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(dǎo)致的相鄰

結(jié)構(gòu)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(yīng)用范圍和來源依

據(jù)，提出了采用等效剛度法來計(jì)算輕型橋墩的墩頂位移限值ML

白青俠、宋一凡考慮基礎(chǔ)彈性約束邊界條件，采取能量原理對高橋墩進(jìn)行了幾何非

6

萬方數(shù)據(jù)

長安大學(xué)博士學(xué)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(chǔ)平動以及轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的剛體位移之和

來組合構(gòu)造；結(jié)論表明，高橋墩面對彈性基礎(chǔ)時(shí)，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(yīng)，

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

型的計(jì)算值比較一致。利用Rayleigh-Ritz法，提出的墩頂位移計(jì)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(jì)算高墩的計(jì)算圖式和計(jì)算方法147】。

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

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

用了實(shí)際墩高作為計(jì)算長度，未考慮一端約束另一端自由或兩端均約束時(shí)的橋墩計(jì)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(zhuǎn)動及平動彈簧來模擬地基

彈性變形，采用Rayleigh-Ritz法推導(dǎo)了橋墩基頻和基底約束剛度的關(guān)系149】。

李建、張炎在將壓桿簡化成墩底固結(jié)墩頂錢接、且把支座簡化為彈性約束的條件下，

推導(dǎo)了高橋墩在存在墩頂約束條件下的位移公式，結(jié)果表明考慮彈性約束時(shí)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(shè)施設(shè)備監(jiān)控墩頂位移的方法；

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

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

梁基樁較長，應(yīng)盡可能地在靠近樁頂部多增加約束以避免失穩(wěn)的結(jié)論。

以上相關(guān)文獻(xiàn)表明，對墩頂水平位移的計(jì)算還沒有統(tǒng)一的定論，且在計(jì)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(shí)踐結(jié)合。

1.5墩型比選研究情況

早在1977年，西南交通大學(xué)《柔性橋墩》一書中就對柔性墩的特點(diǎn)和類型進(jìn)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(jié)構(gòu)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(dāng)時(shí)僅通過對已建成橋墩經(jīng)過通車和試驗(yàn)情況的觀察和調(diào)查，表明幾種橋

墩的應(yīng)用比較滿意，認(rèn)為排架式柔性墩節(jié)省坊工、施工進(jìn)度較快，對橋墩的結(jié)構(gòu)形式和

7

萬方數(shù)據(jù)

第一章緒論

尺寸、支座構(gòu)造、墩頂橫向約束、上部梁體架設(shè)、墩身溫度應(yīng)力、墩高與梁跨、水平力

如何傳遞等還處于不斷試驗(yàn)和分析階段鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院的周津斌155］結(jié)合鐵道

部350公里客?？招亩胀ㄓ脠D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(jìn)行了比較，總結(jié)出了高鐵橋梁空心墩設(shè)計(jì)的規(guī)律。結(jié)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(shí)的墩柱形式選擇進(jìn)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(yīng)用研究為依托，對

國內(nèi)外高墩橋梁橋墩造型的應(yīng)用進(jìn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jì)性的影響等方面，

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

力、經(jīng)濟(jì)性和造型美觀的完美結(jié)合的觀點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)類型進(jìn)行技

術(shù)、經(jīng)濟(jì)的比選，從橋墩選型影響橋梁結(jié)構(gòu)形式的角度進(jìn)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(gòu)可節(jié)省建安費(fèi)

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(gòu)節(jié)省建安費(fèi)2200萬元。除此之外，從施工的難易程度、工期、養(yǎng)護(hù)成本等角度,

T梁方案也均優(yōu)于剛構(gòu)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(xué)性能、整體性、穩(wěn)定性等方面進(jìn)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(gòu)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(jià)；單肢墩施工階段的安

全性大于雙肢墩；風(fēng)力較大時(shí)，單肢墩抗扭能力強(qiáng)、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(shè)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(jié)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。

8

萬方數(shù)據(jù)

長安大學(xué)博士學(xué)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(qiáng)度計(jì)算和

穩(wěn)定計(jì)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(jì)性

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

組合式強(qiáng)于雙肢墩；設(shè)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(jié)合的

組合式橋墩也是提高墩穩(wěn)定性的較好形式。

時(shí)翠芳Ei】綜合考慮力學(xué)