曲柱式框架墩構(gòu)件類型的選擇

劉鋼城

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100029)

1 概況

某城市輕軌機(jī)場線區(qū)間高架站兩端均為高架橋，島式站臺(tái)，正常區(qū)間線間距為3.6 m～4.2 m，進(jìn)站前的線間距為13.2 m。受既有城市主干道的影響，輕軌高架橋的橋墩沿中央分隔帶內(nèi)布置，在車站兩端進(jìn)出站的一定范圍內(nèi)，上下行線需要逐步分開設(shè)置，線間距逐漸從3.6 m增加至13.2 m。為保證原有道路在施工期間仍能有一定的通行能力，并考慮輕軌高架橋?qū)ρ鼐€城市景觀的最大協(xié)調(diào)性，經(jīng)多方案比選，在車站兩端一定范圍內(nèi)采用了曲柱式大懸臂墩，其立面如圖1所示，墩身均采用直坡到底的雙柱矩形等截面，截面尺寸為橫向1.4 m，縱向1.8 m;頂帽均采用大懸臂托盤式墩帽，縱向?qū)挾染鶠?.8 m。該框架墩具有基礎(chǔ)整體性強(qiáng)，占地少，有利于地下管線的鋪設(shè)避讓，地面以上視覺美觀，流暢，可以最大程度保障橋墩兩側(cè)邊城市道路的行車凈空。框架墩蓋梁上端兩側(cè)箱梁為單線軌道梁，兩梁中心間的距離為線間距。

圖1 橋墩立面圖（單位：cm）

2 框架墩的受力特性

在直柱式門架墩受力分析中，由于墩柱一般均垂直于帽梁，在豎向荷載的作用下，墩柱為壓彎構(gòu)件，帽梁為彎剪構(gòu)件，且一般帽梁的剛度比墩柱橫向的剛度要大，所以帽梁與墩柱之間受力比較明確，當(dāng)帽梁與墩柱的線剛度之比大于5時(shí)，雙柱式帽梁可按簡支梁進(jìn)行計(jì)算，多柱式墩帽梁可按連續(xù)梁計(jì)算。

本曲柱式大懸臂墩帽梁與曲柱連接部位剛接較強(qiáng)，線形過渡復(fù)雜，因此應(yīng)按框架進(jìn)行受力分析。設(shè)計(jì)過程中采用了桿系有限元進(jìn)行了各種工況下的內(nèi)力分析，同時(shí)為搞清楚曲柱與帽梁相交處的應(yīng)力分布，采用了彈性力學(xué)實(shí)體單元進(jìn)行了應(yīng)力分析。

桿系法計(jì)算表明，曲柱墩懸臂端為受彎構(gòu)件，曲柱為雙向壓彎構(gòu)件，帽梁在兩曲柱之間的部分為拉彎構(gòu)件(全部荷載作用下，彎矩M=3 400 kN·m，拉力N=6 880 kN)。

實(shí)體單元分析也表明帽梁的應(yīng)力分布與桿系法基本一致，應(yīng)力分布層狀明顯，顯示帽梁中間部分受拉彎作用明顯。曲柱的應(yīng)力分布符合壓彎構(gòu)件的要求(見圖2)。

圖2 恒載作用下的應(yīng)力分布圖

考慮路線的走線及兩邊梁部相距13.2 m的距離，因此橋墩帽梁及墩柱直接受太陽的照射作用較強(qiáng)烈，且受雨雪的侵蝕。故非線性溫度的作用也不能忽視，計(jì)算表明，降溫作用不利于柱間的拉彎構(gòu)件。

3 曲柱墩構(gòu)件類型的選擇

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算成果及應(yīng)力分布狀況，在恒載及活載作用下，橋墩柱主要受壓及雙向彎矩，帽梁懸臂端為彎剪力作用。帽梁中間段拉彎作用十分明顯。

分析表明，本曲柱框架墩帽梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)最為合理經(jīng)濟(jì)，有利于控制中間拉彎構(gòu)件的出現(xiàn)，可以通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量及位置，將原拉彎構(gòu)件轉(zhuǎn)化為彎矩較小的壓彎構(gòu)件，且可以將帽梁懸臂端受彎構(gòu)件變成壓彎構(gòu)件，并提高懸臂端的抗剪能力。

帽梁采用鋼筋混凝土構(gòu)件也可行，但截面強(qiáng)度控制所需普通鋼筋的配置數(shù)量較多，且普通鋼筋在上緣的配置量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于下緣的配置量。為限制裂縫寬度，需要控制鋼筋的應(yīng)力，這樣在正常使用條件下，普通鋼筋的效率不高。為保證構(gòu)件的耐久性能，應(yīng)該盡量限制裂縫寬度，充分保證極限強(qiáng)度儲(chǔ)備。為保證受拉鋼筋承擔(dān)全部的拉力，鋼筋錨固端應(yīng)進(jìn)入懸臂端及曲柱墩內(nèi)部，使拉力鋼筋有充分的錨固長度，鋼筋能充分發(fā)揮其抗拉性能。

為防止帽梁表面在太陽的暴曬與雨水的相互作用下產(chǎn)生表面裂紋，應(yīng)做好帽梁表面抗雨雪防護(hù)，并適當(dāng)增加鋼筋保護(hù)層的厚度。

墩柱采用鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)在技術(shù)上較為合理，也經(jīng)濟(jì)耐久。但在鋼筋的配置上要充分考慮雙向彎矩的作用，比如靠近站臺(tái)的橋墩始終受到進(jìn)站列車的制動(dòng)力作用及出站列車的牽應(yīng)力作用，二者使橋墩始終受到指向站臺(tái)方向的力，由于行車密度較大，因此應(yīng)充分考慮其對(duì)橋墩及帽梁的單向作用。在鋼筋布置時(shí)，在整體滿足強(qiáng)度及抗裂性的基礎(chǔ)上，建議重點(diǎn)加強(qiáng)墩柱截面四個(gè)角處的鋼筋配置，充分發(fā)揮四個(gè)角處鋼筋對(duì)提高強(qiáng)度及抵抗裂縫出現(xiàn)的作用。

4 結(jié)語

通過計(jì)算分析比較，發(fā)現(xiàn)曲柱式框架墩具有與一般直柱式框架墩不同的受力性能，曲柱框架墩帽梁的中間段為拉彎構(gòu)件，且拉力隨著曲柱斜角的增大而增大，其所受拉力不容忽視，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體情況確定采用的構(gòu)件類型。主要結(jié)論如下：

1)曲柱式框架墩造型美觀，有利于減少基礎(chǔ)的空間，適合城市高架輕軌橋的橋墩。

2)設(shè)計(jì)曲柱式框架墩帽梁的構(gòu)件類型時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件不但效果良好，而且耐久性優(yōu)越;在條件許可時(shí)，也可以采用鋼結(jié)構(gòu)。一般不建議采用鋼筋混凝土構(gòu)件，確實(shí)需要采用時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)普通鋼筋的設(shè)置，充分滿足強(qiáng)度，嚴(yán)格抗裂要求，且應(yīng)留有較多的富余，應(yīng)充分保證普通鋼筋錨固到受拉區(qū)以外的足夠錨固長度，并注意適當(dāng)增加鋼筋的保護(hù)層厚度。

3)由于曲柱墩是雙向壓彎構(gòu)件，因此采用鋼筋混凝土構(gòu)件較為經(jīng)濟(jì)合理，在普通鋼筋布置時(shí)應(yīng)加強(qiáng)其四個(gè)角的鋼筋的用量，可以將多根鋼筋成束布置或采用合適的型鋼。

4)帽梁與曲柱相交的部位受力較為復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)連接部位鋼筋的錨固方式及錨固長度的設(shè)計(jì)。

［1］ F.萊昂哈特.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋原理［M］.程積高，譯.北京：水利電力出版社，1984.

［2］ 袁國干.配筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.