洛陽市華山北路上跨隴海鐵路立交橋下部結構設計

穆 偉

(中鐵工程設計咨詢集團鄭州設計院,鄭州 450052)

1 工程概況

華山北路是洛陽市西區南北向交通的重要通道,隴海鐵路緊鄰澗河,地勢高差較大,最大高差為 17m。本橋梁全長 606.6m,采用 4×40m+4×40m+7×40 m共 3聯 15孔預應力混凝土連續梁橋,其中第二聯跨越隴海鐵路,華山北路中線與隴海鐵路交叉處隴海下行鐵路里程 K696+189.7,二者 交角為 74°45′。第三聯跨越澗河,澗河比降較大,河道彎曲,河岸陡峭。

全橋分別位于直線及 R=2000m的曲線上。橋梁地震設防烈度為 7度,地震加速度峰值為 0.1g,地質土層分別為粉質黏土、圓粒土等。華山北路為雙向8車道,雙幅分離,每幅右側為 2m寬人行道,橋全寬35m。下部橋墩采用矩形墩(1.5m×1.8m),以圓弧形式連接蓋梁抹角。基礎采用鉆孔灌注樁,樁徑 1.2、1.5m兩種。下部施工采用立模現澆施工。

2 方案比選

連續梁越長對橋墩的受力越為不利。結合本橋,第三聯位于澗河內,橋墩較高(16～19m),墩身剛度較小,相應的墩頂水平力較小,采用 7×40m一聯(長聯),可以滿足連續梁引起的縱向水平力要求;而第一、二聯橋墩較低,墩身剛度相對較大,故采用 4×40 m一聯(短聯),以減小墩頂縱向水平力。

本橋特點為墩身剛度相差較大,為方便施工,統一模板,簡化施工工序,全橋采用了相同的墩身截面。基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。經過計算分析,第一、二聯橋墩基礎采用單墩下單排 2根 φ1.5m樁基礎可以滿足要求,但第三聯位于澗河內,考慮季節水流沖刷的影響后,若仍采用單墩下單排 2根 φ1.5m樁基礎,樁頂位移過大(已超過 6mm),橋墩的縱向剛度過小,因此最終采用 4根 φ1.2m群樁布置,提高了橋墩縱向剛度,限制了墩頂位移,經過計算滿足了要求,并且提高了單位體積混凝土的側摩阻的效能,降低了造價。橋跨布置見圖1。

3 墩與蓋梁綜合分析

一般計算蓋梁時有兩種方法,方法一:蓋梁按簡支梁或連續梁計算;方法二:考慮墩與蓋梁的固結作用按剛構計算。按照公路規范要求,以線剛度比(EI/L=5)為界,當其大于 5時蓋梁按簡支梁或連續梁計算,反之按剛構計算。公路規范主要是考慮當線剛度比大于 5時墩對蓋梁的固結影響很小,可忽略墩的影響,只按簡支或連續梁進行考慮。由于鉆孔灌注樁及柱式墩的大量采用,柱(樁)尺寸的加大,根數的減小,一般橋梁排架式墩的剛度比均小于 5,所以均應考慮墩與蓋梁的固結作用。本橋按照等效框架模型模擬計算,采用橋梁博士計算程序建模分析墩與蓋梁。

圖1 橋跨布置(單位:m)

以上分析為墩與蓋梁的相互作用,在墩與基礎的相接處的模擬方法不盡相同。考慮本橋下部基礎均為鉆孔灌注樁上接承臺及墩身,在墩底處絕非完全固結狀態,墩底即承臺或樁頭實際是有位移的,并且在有沖刷影響或樁基剛度較小的情況下影響更大。對于墩底的模擬有兩種考慮:一是計算確定樁身的假想固結點,根據樁與墩身的剛度換算計算確定墩身的加長,然后在假想固結點處以固結來模擬;二通過對樁基礎的計算 ,得出承臺處的 δHH、δHM、δmm等各項柔度值,然后根據這些數據采取墩底處的彈性固結來進行分析。經綜合考慮:方法一建模簡單比較適用于單樁單柱墩,采用方法二更加符合受力特點,并且較為精確,故本橋采用墩底彈性固結的方法建模計算。

4 墩與蓋梁橫向分析

本橋蓋梁及墩身采用 C40混凝土,擬定尺寸如下:蓋梁長 15.4m,寬 1.9m,高 1.8m矩形截面,上部布置 5片小箱梁,懸臂長 3.25m,中跨長為 9.4m。墩柱縱向寬 1.5m,長 1.8m,抹角半徑 R=20 cm。墩與蓋梁相交處圓弧過渡,圓弧半徑 R=166 cm,視覺效果平滑圓順、方便模板施工。橋墩構造見圖2、圖3。

圖2 1,7號墩構造(單位:cm)

圖3 13號墩構造(單位:cm)

為得出不同墩高下墩與蓋梁的橫向受力特點,本橋分別取 1號墩 H=4 m,7號、14號墩 H=9m,13號墩 H=19m,3種墩高及其對應的基礎剛度分別用橋梁博士建模分析。蓋梁共劃分為 36個單元,墩身高度方向每 0.5m劃分為一個單元,墩與蓋梁相接處采用共用 8號,29號節點的方式傳遞內力。荷載采用公路-Ⅰ級,人群荷載采用 4 kPa并考慮溫度及不均勻沉降的影響。橋梁博士模型如圖4～圖6所示,計算結果見表1、表2。

圖4 1號墩模型

圖5 13號墩模型

圖6 7、14號墩模型

從計算結果可以驗證,隨著墩高的不斷增加,墩身剛度的減小使墩對蓋梁的嵌固作用越來越弱,蓋梁懸臂處最小負彎矩在下降,跨中正彎矩在上升,這也與實際情況較為吻合。由于本橋橋墩高差較大,蓋梁最小負彎矩由蓋梁懸臂處控制,高墩蓋梁跨中截面控制蓋梁最大正彎矩。另一方面也可以看出墩高的變化對墩底控制內力的影響:低墩(門式框構)由于墩身剛度較大不可忽視由蓋梁分配來的彎矩影響,隨著墩高的不斷增大,墩身剛度的減小,墩身控制截面彎矩減小逐漸不控制設計。所以較低墩蓋梁墩身的橫向受力較大,橫向配筋不可忽視。

表1 墩底橫向彈性約束值

5 墩的縱橋向分析

本橋第 3聯橋墩墩高普遍較高,在縱橋向水平力作用下縱向受力更為不利,故本橋縱橋向分析以第 3聯(7×40m)為例。本聯橋墩位于澗河河谷中,墩高相對于前兩聯來說較高,其中 13號橋墩墩高最高為19m。墩身縱橋向的主要控制荷載為制動力及溫度力,本聯長較大,為適應溫度變形的不利影響,中間 4個墩采用普通板式橡膠支座,次邊墩,聯端墩及橋臺采用滑板支座。計算縱向力時采用剛度分配原則,保守采取中間四墩分配全聯的制動力及溫度力,計算群樁樁基礎的剛度、墩身的剛度及支座的剛度,求得墩頂的聯合剛度。根據各墩的聯合剛度計算該聯的溫度零點,并確定中間四墩的水平力分配。計算結果見表3。

由于本橋 13號墩高較高,長細比較大,該墩的設計不再僅僅有樁柱的強度、裂縫等控制因素,墩柱的穩定問題也越來越突出。橋梁上部結構采用的先簡支后連續結構,橋墩墩頂設置單排橡膠支座,若將橋墩按一端自由、一端固結考慮,桿件計算長度為墩高的 2倍,則將大大增加桿件的截面尺寸,從而使得工程經濟性降低。對于本橋特點桿件的長度不能簡單認為底端固結,頂端自由的構件,由于 13號墩下為群樁基礎,墩頂橡膠支座連接上部結構,該墩應采用下端固結,上端彈性水平約束的模型來考慮計算桿件的計算長度更為合理。本橋偏安全地采取承臺處為固結。經計算偏安全取 L0=1.6H(L0為計算長度)來進行計算,計算結果見表4。

表4 部分墩底縱橋向彎矩計算結果 kN?m

6 結語

本文通過對該橋的下部計算分析得出以下結果,在橋墩高差較大、分聯較多時,在蓋梁的設計方面,跨中截面應采用較高墩蓋梁的橫橋向結果,蓋梁懸臂處截面應采用矮墩蓋梁的橫橋向結果。在墩身方面應重視矮墩的橫向配筋,特別根據本橋實例得出在墩高較低(1號墩 H=4m)時墩底的橫橋向相比縱橋向受力更為不利;在墩高較高,墩身的長細比較大的情況下,應按照橋梁的實際模型來確定橋墩的計算長度,注意縱橋向配筋的經濟性,運用合理模型來進行下部結構的分析以滿足設計的各項要求。

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