第二节　墩形选择

我国既有铁路在进行无缝线路改造时，长钢轨纵向力的大小受到既有墩台刚度的限制，桥上普遍采用小阻力扣件，把长钢轨力传到路基或更多的桥跨上，以减小每个墩台所承受的钢轨纵向力，起到保护既有桥梁的作用。

高速铁路是按一次铺设跨区间无缝线路设计的新建铁路，在研究桥上无缝线路时，结合国外的先进理念，提出了墩台纵向水平线刚度的概念，目的在于增加桥梁抵抗长钢轨纵向力的能力，使无缝线路钢轨的附加应力和梁轨快速相对位移不超过允许值，取消或减少小阻力扣件，保持无缝线路的稳定性。

对于常用跨度简支梁墩台的纵向水平线刚度，《新建铁路桥上无缝线路暂行规定》（铁建设函〔2003〕205号）有明确的规定和限值标准，对位于无缝线路固定区的混凝土简支梁桥，其桥台顶部的最小水平线刚度为3000kN/cm（双线）、1500kN/cm（单线），双线梁桥墩顶部的最小水平线刚度为160kN/cm（16m）、270kN/cm（24m）、350kN/cm（32m）、550kN/cm（40m）。对于连续梁和其他结构形式桥梁的墩台水平线刚度，根据梁轨相互作用原理，由钢轨附加应力和梁轨相对快速位移量确定。这些规定、限值和要求是高速铁路桥梁墩形选择和桥墩设计的基本依据。

一、墩台类型

1.选择原则

从1994年开始，铁道部、相关设计院及科研单位相继开展了针对高速铁路桥梁墩台的系列研究。1999年，《高速铁路桥梁墩台技术条件及设计研究》通过铁道部审查。2003年，铁道部高速办安排铁道第三勘察设计院（铁三院）、中铁第四勘察设计院集团有限公司（铁四院）编制京沪高速铁路桥梁墩台通用图，铁三院负责实体墩（矩形实体墩、圆端形实体墩）、矩形双柱墩的编制工作，铁四院负责空心墩（矩形空心墩、圆端形空心墩）、单圆柱墩、矩形空心桥台的编制工作。后经慎重考虑，铁道部提出高速铁路桥梁墩台不再出部颁标准图。铁三院、铁四院在前期京沪高速铁路桥梁墩台通用图编制的基础上，结合京津、郑西、武广等客运专线的设计工作和中、外双方的咨询结果，编制完成了各院的院编高速铁路桥梁墩台通用参考图。这些通用参考图在我国客运专线桥梁建设中得到广泛应用。2007年初，两大设计院分别完成京沪高速铁路京徐段、徐沪段桥墩选型研究。

桥梁墩台通过布设在墩顶的支座将上部结构的荷载传递到墩台基础上。桥墩的外形及截面尺寸与上部结构的类型和桥梁所处的地理环境密切相关，既要考虑桥墩的受力要求（如无缝线路纵向力传递对墩台刚度的要求）和支座布置的需要，也要考虑施工方便和维修需求（如桥墩检查或支座更换需求），还应使墩台的外形美观流畅，与上部结构和周围环境协调一致。

调查表明，德国、法国、意大利、日本、韩国及我国台湾地区等先行建成高速铁路的国家或地区，高速铁路桥梁采用的桥墩类形并不相同，而是各有特点：德国高速铁路桥梁多为谷架桥，桥墩以钢筋混凝土空心墩为主，空心墩壁厚35cm，墩顶横桥向宽度一般在6.4m以内，纵桥向尺寸一般在2.7～4.0m，墩顶设有检查通道；法国高速铁路桥梁多采用顶推法施工，桥墩尺寸比较大，墩形以矩形空心墩、圆柱墩为主；意大利高速铁路桥梁多采用预制架设方法施工，桥墩多以两侧带装饰开槽的实体墩为主，在跨越河流的地方采用圆柱墩；韩国高速铁路不同标段的桥墩有所不同，主要以矩形空心墩、圆形双柱墩为主，矩形空心墩外形尺寸不变（横向6.0m、纵向3.5m），墩顶中间设凹槽，供运营检查、维修和更换支座使用；日本新干线除立交、河流处采用T梁、连续梁（或连续刚构）、斜拉桥等特殊结构外，其余均采用小跨度连续刚架桥，T梁多采用板式墩，跨河桥多采用圆柱墩，部分高架车站采用钢管混凝土桥墩；我国台湾高速铁路桥墩有单矩形柱式墩、单圆形柱式墩、矩形板式墩以及桩柱式墩等多种形式，因为更换支座时需在梁端腹板下顶梁，所以梁端悬臂较长，受此影响，桥墩顶帽纵向尺寸很大（单矩形柱墩顶帽尺寸为8.5m×8.5m）。

由于京沪高速铁路全线的桥墩绝大部分高度在20m以内（总高度H≤10m的桥墩约占76％，10m<H≤15m的桥墩约占18％，H>15m的桥墩约占6％），铁三院、铁四院编制了以20m为上限的各种墩形桥墩的通用参考图，包括实体墩（含矩形实体墩、圆端形实体墩）、空心墩（含矩形空心墩、圆端形空心墩）、矩形双柱墩、单圆柱墩，以及适用于常用跨度简支箱梁、小跨度连续箱梁、斜交刚构连续梁等梁形需要的一字形桥台和矩形空心桥台。分析表明，五种墩形桥墩（即圆端形实体墩、矩形实体墩、矩形双柱墩、圆端形空心墩和矩形空心墩），在强度、刚度（表4.1.3）、偏心、稳定性以及动力性能等方面均满足相关规范要求。据此，铁道部工程设计鉴定中心确定了京沪高速铁路桥梁墩台类型选择的主要原则：

（1）一般简支箱梁，桥台采用一字形桥台或矩形空心桥台，桥墩采用矩形或圆端形实体墩、矩形或圆端形空心墩、矩形双柱墩、单圆柱墩。

（2）预应力混凝土连续梁、系杆拱等桥梁结构的桥墩一般采用实体墩，跨越道路和既有铁路线两侧的桥墩一般采用实体墩。

（3）桥梁长度小于1km时，桥墩宜采用同一种墩形。

（4）桥长大于1km时，由于墩台数量较多，一座桥梁中可以采用多种墩形，但每种墩形应集中、成段布置，一般每段桥墩数量不宜少于10个。

（5）墩高大于20m时，桥墩采用圆端形空心墩。

（6）铁路与河流夹角较小时，水中墩采用单圆柱墩。

2.京徐段桥墩

铁三院依照2006年5月铁道部工程设计鉴定中心对京沪高速铁路初步设计的批复意见，对五种墩形（含基础）进行了技术经济综合分析。铁三院认为，从动力仿真分析结果来看，墩高不超过12m时，采用圆端形实体墩（墩宽6m）和矩形双柱墩都是可行的，不应把动力仿真的计算结果作为桥墩动力性能评判的绝对依据；从桥墩横向刚度和景观上看，流线型圆端实体墩优于矩形双柱墩；从安全可靠角度出发，矩形双柱墩适用的墩高范围为2～6m，实体墩（流线型圆端实体墩、矩形实体墩）适用的墩高范围为2～18m，空心墩可在墩高18m以上时采用。从全桥墩形统一、景观效果和经济性综合考虑，建议桥墩全高18m以下时采用流线型圆端实体墩，桥墩全高18m以上时采用空心墩。因此，京沪高速铁路京徐段主要采用的桥墩类型为圆端形实体墩（流线型）、矩形实体墩和圆端形空心墩，仅在斜交角度较大的跨河桥梁中少量采用单圆柱墩。圆端形实体墩约占本段桥墩总数的65％，矩形实体墩及其他类型桥墩约占本段桥墩总数的35％。

3.徐沪段桥墩

经对京沪高速铁路全线桥墩墩高与墩形的经济比较，铁四院认为，墩高大于10m时，圆端形实体墩与矩形实体墩的投资接近，圆端形空心墩与矩形空心墩投资接近，但空心墩较实体墩经济；墩高小于10m时，圆端形实体墩较矩形实体墩经济；墩高小于12m时，矩形双柱墩较其他四种墩形经济；墩高大于12m时，矩形双柱墩较两种实体墩经济，但经济性不如空心墩。铁四院建议，桥长小于1km且需设置水中墩时全桥采用圆端形空心墩，但当部分墩高达到或超过15m时，跨河桥采用圆端形空心墩，旱桥采用矩形空心墩；桥长大于等于1km且部分墩高大于等于15m时，在墩高大于12m的一段桥梁内成段采用空心墩（跨河桥采用圆端形，旱桥采用矩形）；上述范围以外的桥墩，一般采用矩形双柱墩。因此，京沪高速铁路徐沪段约2/3的桥墩采用了矩形双柱墩，约1/3的桥墩采用圆端形空心墩、矩形空心墩、单圆柱墩等墩形。

二、桥墩设计

1.墩顶构造

桥墩墩顶除需布置支座以支承上部梁体外，还有其他附属功能。相关课题研究认为，如果把顶梁用千斤顶放置于梁端内侧而非两侧腹板下方，桥墩顶帽的纵向尺寸可以减小20cm左右，这样墩顶的纵向尺寸可以减小到3.0m左右，桥墩的工程量也得以减少。为此，中铁工程设计咨询集团有限公司（中铁咨询）设计常用跨度简支梁时，在梁端内侧支座顶升位置增加了钢筋配置（顶梁千斤顶中心与支座中心距离按最大80cm控制），并进行顶梁工况局部受力检算。为满足顶梁、维修和更换支座的需要，铁三院、铁四院在设计桥墩时，将墩顶支承垫石适当加高，梁底至墩顶的距离按60cm设计，并在梁顶横向两支承垫石之间对应于梁底进人洞的位置，设置高0.5～1.0m、宽1.5m、纵向与墩顶同宽的凹槽，供箱梁内部和桥墩检查使用。

2.流线型圆端实体墩

铁三院通过对传统圆端形实体墩顶帽和基础的优化，提出了流线型圆端实体墩（图4.1.3）。流线型圆端实体墩舍去了传统桥墩的横线条，与上部流线型箱梁相匹配，即便是在墩高较低时其景观效果也较为协调，而且当桥墩全高小于10m时，流线型圆端实体墩也是经济的。

3.无顶帽矩形双柱墩

由于京沪高速铁路很多桥梁的桥墩高度一般在15m以内，考虑到墩高小于12m时矩形双柱墩较其他四种墩形经济，并且15m以下空心墩施工较为困难，铁四院编制了线条简捷流畅、外形尺寸与矩形空心墩协调一致、便于施工的无顶帽矩形双柱墩（图4.1.4），既减少了桥墩圬工，也极大地方便了桥墩外模的制作和倒用，还可节省工期。

相对于如芜湖长江大桥引桥（双柱式轻型桥墩）、津浦线滁河特大桥（墩柱截面小、桥墩纵横向刚度弱）等我国普通铁路线上采用的双柱墩，京沪高速铁路采用的矩形双柱墩纵向尺寸3.0m、横向柱宽2.2m，较前述双柱墩的截面尺寸由量变达到了质变，墩柱结构属小偏心受压构件，而且上部结构采用双线整体箱梁，计算表明其各项性能指标均能满足高速行车的要求。

无顶帽矩形双柱墩、矩形空心墩和圆端形空心墩纵向均为3.0m，采用标准承台即可满足刚性角要求，无需加台或加强配筋，承台按构造配筋即可。

4.一坡到底空心墩

京沪高速铁路桥梁多采用预制架设的32m简支箱梁，梁高3.05m（有砟梁高3.00m），高跨比相对较大，而桥墩高度较底（普遍在15m以内）。铁四院认为，桥墩的外形线条不宜变化太快。从桥墩美观角度考虑，同时吸收国外空心桥墩的成功经验，京沪高速铁路空心墩在国内首次不设顶帽，墩身在顺桥向一坡到底，改变了我国铁路桥梁多年来设置桥墩顶帽的习惯，简化了桥墩外形，在增加少量圬工的条件下增加了桥墩的纵向线刚度。综合各种因素，矩形空心墩外形尺寸统一采用3.0m×6.8m、四角采用R=0.5m圆角；圆端形空心墩（图4.1.5）外形统一采用3.0m×8.0m、横向两侧采用R=3.0m半圆，极大地方便了桥墩外模的制作和倒用，同时还使桥墩的外形体量与简支箱梁相匹配。

考虑到高速铁路桥梁的耐久性要求，空心墩墩身内外侧均布设了钢筋，钢筋配置除根据计算布置受力筋外，其余全部按构造要求配筋。

三、桥台设计

我国普通铁路曾广泛采用耳墙式桥台，由于台身轻、纵向整体线刚度小、耳墙施工较困难等原因，现行桥梁设计规范已明确将其列为慎用桥台。沿用较长时间的T形桥台，当填土超过一定高度时，桥台的整体圬工量较大。高速铁路桥梁的设计活载（ZK活载）较普通铁路桥梁的设计活载（中—活载）小，其力学指标不控制桥台设计，没有必要采用大体积重力式桥台。

1.一字形桥台

京沪高速铁路京徐段普遍采用一字形桥台（图4.1.6）。它是在耳墙式桥台的基础上，依据现行设计规范优化出的一种介于传统耳墙式桥台与T形桥台之间的新型桥台。

一字形桥台以混凝土砌块代替耳墙部分与路基相连，通过适当增加台身长度来提高桥台的整体线刚度，台身后坡采用直墙式以便于台后施工和填料振捣密实。为满足高速铁路大吨位梁体自重、架桥机运行以及架梁引起的桥台前端不利受力工况，台身前墙采用斜坡式并适当加大前墙伸入桥孔的长度以利结构受力。一字形桥台台身截面为矩形，从平面看纵向尺寸较横向尺寸小很多，形似一字形并由此得名。

2.矩形空心桥台

京沪高速铁路徐沪段全部采用矩形空心桥台。它是在原T形桥台的基础上，依据高速铁路受力特点并与徐沪段普遍采用的矩形双柱墩相呼应的一种新型轻型桥台（图4.1.7）。

矩形空心桥台设计构思源于双线T形桥台两后背间填土困难且后背圬工量太大，考虑高速铁路台后填土普遍不高的实际情况，在两后背间设挡板，同时减薄后背宽度，使挡板、后背及台顶悬臂板合并形成空心后背，节省了圬工，降低了桥台自重，并因此得名。台身后坡采用直墙式以便于台后施工和填料振捣密实，前墙采用直坡以满足结构受力需要。桥台横向尺寸在满足桥台功能要求的前提下，顶面采用与箱梁桥面板完全相同的结构尺寸，胸墙采用与桥墩呼应的双柱结构，不仅受力明确，与墩、梁也是协调的。桥台纵向线刚度通过适当的台身长度来满足。