空心墩技术的应用与研究

　　摘要：本文介绍了空心墩的类型、施工方法。针对连续刚构桥中经常采用的薄壁空心墩和实心墩,通过有限元的分析计算,比较在不同墩高情况下二者对主梁弯矩、墩身水平力和弯矩及全桥稳定性等方面的影响,对连续刚构设计中桥墩结构形式的选择进行分析。
　　关键字：连续刚构桥、翻转模板、空心墩、薄壁空心墩
　　1.前言
　　墩基的承载力是由桩身和桩底地基承载力两个条件来决定的,设计时,一般墩身强度必须大于地基承载力,墩的承载力应由地基承载力来控制。实心墩墩身直径大,墩身强度一般远高于地基承载力,材料浪费较多,采用空心墩就是使墩内部形成空腔,这样可以减少砼,减少配筋,减轻墩的自重,而墩的承载力仍然能得到保证。目前,空心墩在一些建筑工程中已有少量应用,但空心墩设计理论仍然不完善,国家也没有相应的规范,本文对空心墩的设计理论作初步探讨。
　　2．空心墩的类型
　　2．1按平面形状分类
　　2．1.1空心墩宜设计为一柱一桩,按平面形状可分为:单孔圆形、单孔椭圆形。单孔圆形墩适用于轴心受压柱及小偏心受压柱,单孔椭圆形适用于大偏心受压柱,桩长轴方向的抗弯强度大。
　　2.1.2当两柱较近,设计成单孔有困难时,可以把两个墩连体,就形成了双孔圆形和双孔椭圆形。
　　2．2按壁厚分类
　　2.2.1薄壁空心墩。人工挖孔空心墩只作砼护壁,然后直接把护壁作为承重的结构,称为薄壁空心墩。这种空心墩平均壁厚一般200mm以下,在上部传来的荷载较小时,可以采用它。薄壁空心墩是由底板(或扩大头)、筒壁、盖板及承台(或柱基)所组成。
　　2．2.2厚壁空心墩。对于承受较大荷载的空心墩,一般筒壁要求较厚(常在200mm以上),施工时先做空心墩的护壁,然后再灌注筒身砼,形成厚壁空心墩,它主要由扩大头、筒身、盖板及承台组成。
　　2.3按桩的受力类型分类
　　2.3.1当墩底支承于强风化岩层或硬塑土层时,墩的允许承载力为墩壁摩阻力与墩底端承力之和。当墩顶施加荷载P时,砼墩身产生压缩变形,墩身与墩侧土之间会产生相对位移,但其值较小,P值全部由墩壁摩阻力所承担。P值增大,墩与墩侧土的相对位移增大,墩壁摩擦阻力增大,墩底土的竖向阻力逐步产生,当P继续增大时,墩与墩侧面土的相对位移继续增大,摩擦力最后达到极限。P值再继续增加,墩底土的端阻力迅速增加到极限值。据有关试验资料,在硬塑粘土中,摩阻力占总荷载75%左右,在强风化岩中约占60%左右,属于磨擦桩。
　　2.3.2当墩底支承于中等风化或微风化岩层时,由于孔底沉渣可以清理很干净,不会形成压缩的软垫,墩受荷后沉降极小,墩侧阻力因桩土相对位移小而不能发挥,而且数值较小,此时墩端阻力对墩的承载力起主要作用,故设计时只考虑墩端阻力,按端承墩设计。
　　3.空心墩施工方法
　　二、主要施工工艺
　　（一）模板设计与制作
　　由于翻模配套设备要求较少，施工机具投入小；混凝土外观质量容易控制，施工纠偏容易，可以连续或间断施工，故在施工中选择了塔吊提升大块钢模翻模法施工。
　　首先对各墩的墩身高进行统计，计算出各墩所需模板节数和调节段高度，按最高墩身确定所需加工的模板节数。根据墩身各部尺寸外模采用整体钢模板，内模采用定型钢模板。由于墩身高，模板倒用次数多，钢外模面板使用6mm厚钢板制作，模板设有[10槽钢竖肋及[12槽钢横肋，竖肋和横肋皆组焊而成，横肋为施工提供较为宽阔的操作平台,同时多层横肋通过螺栓连接后组成空间桁架，保证了翻模模板的空间刚度，能有效的减少模板对拉杆的使用，提高墩身混凝土的外观质量。
　　该桥薄壁墩身的四个拐角设计为直角，但直角的砼容易发生掉角、漏浆的质量通病，因此在设计模板时，我们把墩身的直角改为直径2cm的小圆角，这样既不用变更钢筋的位置，又能保证拐角处砼的质量。
　　（二）墩身施工工艺
　　该桥高墩施工采用分节翻模浇筑法，因墩身较高，综合考虑了节段施工时间、机具长度及钢筋配料和减少砼施工缝的数量的目的，墩柱模板均采用定型大块钢模，一套4节（2节3米和2节1.5米），每4.5m翻升一次；除墩底9m一次施工外，以上按4.5m/节循环施工。，每次翻模3+1.5m，总共9m。施工时，除第一道浇筑9米外,其余节段每次浇注2节模板的高度，即每次翻2层模板，浇筑4.5m高的砼，待混凝土强度达到2.5MPa后再立第二节模板，这样逐节升高，直至墩身浇筑完毕。
　　
　　4．空心墩和实心墩对连续刚构桥受力影响的比较
　　4.1计算模型及结果
　　连续刚构桥当采用双肢薄壁空心墩或实心墩时,不同的桥墩高度、墩身厚度都会对梁体产生不同的影响。为此,假定某公路连续刚构桥的跨度布置为(75+120+75)m,墩高分别为40,60,80m,其全桥立面布置图、空心墩断面图及实心墩断面图分别见图1、图2、图3。（不考虑桥墩的碰撞问题）
　　
　　
　　空心墩的截面尺寸为bh=2.0m4.1m,壁厚0.45m,实心墩的截面宽度b=4.1m,厚度分别为1.2,1.6,2.0m。实心墩采用上述厚度主要考虑以下几个方面的问题。
　　(1)实心墩截面厚度h=1.2m与空心墩具有相近的截面面积,可以比较在相同截面面积的情况下实心墩与空心墩对连续刚构受力的影响;
　　(2)实心墩截面厚度h=2.0m与空心墩具有相同的外形尺寸,可以比较在相同截面外形尺寸的情况下实心墩与空心墩对连续刚构受力的影响;
　　(3)实心墩截面厚度h=1.6m为上述二者的平均值。
　　利用有限元程序对上述结构进行分析计算,结果见表1、表2。其中梁体弯矩、墩底水平力和弯矩值仅考虑了梁体自重及二期恒载的作用,墩底水平力和弯矩是双肢薄壁墩的合力,计算中根据桥墩高度的不同,双肢薄壁墩墩间横系梁的间距为20~25m;屈曲稳定特征值计算中仅考虑了梁体自重、二期恒载及双车道汽车荷载的作用,计算分为设墩间横系梁和不设墩间横系梁两种情况。
　　表1不同墩身截面、墩高下梁体弯矩、墩底水平力和弯矩值比较
　　桥墩截
　　面形式 墩高
　　/m 
　　梁体主要部位弯矩计算值
　　/(kNm)
　　 墩底水平力/kN 墩底弯矩
　　/(kNm)
　　
　　  边跨峰值 墩顶负弯矩 中跨正弯矩  
　　实心墩
　　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
　　实心墩
　　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
　　实心墩
　　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、墩高下屈曲稳定特征值比较
　　桥墩截
　　面形式 墩高
　　/m 设墩间横系梁 不设墩间横系梁
　　  特征值
　　失稳模态 特征值
　　失稳模态
　　实心墩
　　h=1.2m 40 21.4 纵倾 5.8 纵倾
　　 60 18.3 纵倾 2.4 纵倾
　　 80 15.5 纵倾 1.3 纵倾
　　实心墩
　　h=1.6m 40 31.1 侧倾 12.9 纵倾
　　 60 20.7 侧倾 5.3 纵倾
　　 80 18.3 侧倾 2.8 纵倾
　　实心墩
　　h=2.0m 40 36.3 侧倾 23.6 纵倾
　　 60 22.7 侧倾 9.6 纵倾
　　 80 19.2 侧倾 5.0 纵倾
　　空心墩
　　h=2.0m 40 30.7 侧倾 22.3 纵倾
　　 60 21.2 侧倾 9.5 纵倾
　　 80 19.2 侧倾 5.1 纵倾
　　4.2计算结果分析
　　(1)随着墩高的增大,除跨中正弯矩逐渐增加外,其余两处的弯矩值均在逐渐减小,但数值的增减幅度均较小,特别是墩顶的负弯矩值的变化量小于2%,可以认为在墩高达到一定数值后,整个墩身的刚度已变得足够小,墩高的变化对主梁弯矩的影响已很小。随着墩高的增大,墩底的水平力和弯矩值却明显减小,这对基础的设计非常有利。但由于全桥的屈曲稳定特征值随墩高的增加而减小,因此高墩大跨度连续刚构桥的墩身截面尺寸对刚构桥的稳定性有较大的影响。
　　(2)随着实心墩厚度的逐渐增大,桥墩的抗弯刚度也相应增加,主梁的边跨峰值及墩顶负弯矩也逐渐增大,但中跨的正弯矩却逐渐减小。一般说来,连续刚构的控制弯矩多发生在墩顶负弯矩处,因此从减少墩顶负弯矩出发,一般应选择较小的墩身刚度,同时也减小了墩身的工程材料用量,降低了工程造价。
　　(3)相同外形尺寸的薄壁空心墩和实心墩,由于其墩身的刚度相差不大,因此其主梁弯矩、墩底水平力和弯矩、全桥屈曲稳定性均相差不多,但空心墩的工程材料用量仅为实心墩的60%左右。因此,从减少墩身工程量、降低基础竖向力出发,设计中应尽量选择空心墩截面。但空心墩施工较为复杂,施工难度大,工期也较长,具体采用何种墩身形式要综合考虑各方面的因素。
　　5．结论
　　墩身刚度的变化对梁体的弯矩影响不大,墩身的截面尺寸选择应主要考虑稳定性的影响。在稳定性控制的情况下,从节约工程量出发应尽量考虑采用空心墩;在稳定性不控制的情况下,应尽量采用实心墩,相同截面面积的实心墩比空心墩受力更好。在设计中选择较小的墩身截面形式,除可以减少桥墩的工程用量外,还可以降低作用于基础上的水平力、竖向力和弯矩,从而达到减少基础的工程用量,降低工程造价的目的。
　　参考文献
　　[1]侯颖.挖孔空心墩的设计与研究[J].基建优化.2004.第25卷（第4期）
　　[2]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1985.
　　[3]马保林.高墩大跨度连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社,2001.