現澆連續箱梁橋下部結構中的預應力混凝土偏心墩特點分析及承載力計算

姚莉

(深圳高速工程顧問有限公司，北京市100107)

現澆連續箱梁橋下部結構中的預應力混凝土偏心墩特點分析及承載力計算

姚莉

(深圳高速工程顧問有限公司，北京市100107)

結合南方某沿海城市快速路項目某匝道橋下部結構中的預應力混凝土偏心墩設計過程，討論分析了該預應力混凝土偏心墩在以現澆連續箱梁作為上部結構部件時的具體特點，還研究了怎樣根據具體特點進行特有結構型式比選并進行承載能力計算。其成果對于同類型預應力混凝土偏心墩設計工作具有一定的借鑒意義。

現澆連續箱梁;下部結構;預應力混凝土偏心墩;特點分析;結構型式比選;承載能力計算

0 引言

近年來，我國沿海經濟發達地區為了提高交通運輸效率、增大疏解能力、降低工程征地成本，大量修建了結構簡潔的快速路高架橋。由于我國沿海地區作為經濟中心的慣性還將較長時間地存在著，這會使城市中因工程用地產生的矛盾更加突出，造成城市工程用地成本高于結構物造價的差距更為加大，“以空間降成本”的高架橋將在城市道路工程中日益增加比重。

今后隨著城市建設管理更加規范，更加重視遠期規劃的實現路徑是否暢通，城市道路中的高架橋梁不僅要承擔結構本身的運輸效益需求與城市社會效益需求，而且要兼顧橋梁下道路的近期用地成本效益，以及兼顧遠期運輸效益和實現遠期規劃成本效益——即如何在遠期規劃與橋梁下部結構所需用地產生沖突時，利用特殊結構在“異形”建筑用地上，有效、快速地完成下部結構承載能力搭建，是今后經濟發達地區高架橋梁建設中必須解決的問題。采用預應力混凝土偏心墩是一種有效辦法。

1 預應力混凝土偏心墩特點分析

1.1 偏心墩在-定范圍內更為經濟

偏心墩可以有限適用于前文所說的“異形”建筑用地——可用建設用地及橋下建筑限界相對橋梁中心線不對稱，且不能滿足設置以橋梁中心線對稱的下部結構的最小用地需求，相對于改變“異形”建筑用地的成本，改變結構利用偏心墩完成下部結構的功效則更為經濟。在這里之所以說“一定范圍內”和“有限適用”是因為該類型結構的造價也會根據偏心距的增大而增大，并且是非線性加速增大，結構實現難度也同樣加大，當結構造價及結構實現難度達到一定水平時，必然會造成整體橋梁方案甚至是路線方案的修改。

1.2 偏心墩在-定范圍內結構分析更簡單

本文所介紹的預應力混凝土偏心墩承載力驗算時，較一般橋墩的承載能力驗算，在所受彎矩這一項目中有較大增強，需要通過墩身內錨固在基礎及墩身頂的預應力索產生的與外力合力點異側的軸力及彎矩，用以平衡所受軸力加彎矩產生的一系列作用，由于是用“內力”平衡外力影響，故而結構受力簡單，可將計算過程先簡化為平面桿系計算，然后進行預應力鋼束配索，可以有一定的縮短設計周期的作用。當然這也是有條件限制的，即“一定范圍”，當偏心產生的形變無法用預應力鋼束平衡，或恒載狀態下為平衡偏心影響配置的預應力鋼束所產生的應力會對結構產生不良影響時，可簡化計算的偏心墩將不再適用。

1.3 偏心墩還具備-些其他優點

(1)橋墩墩身結構自身有較大的剛度，同時對上部構造來說有較好的穩定性;(2)由于結構邊界條件簡單，客觀上減少了病害的發生;(3)偏心墩在模板完成，以及鋼筋預埋的情況下可以一次澆筑，在同等條件下，降低了常用墩柱接蓋梁的下部結構施工時為更換不同材料而多次澆筑產生的各種困難，適當加快了工期;(4)使用偏心墩時，會盡量少地使用對上部構造的支座數量，且橋墩墩身為了減少剪力影響而進行的擴大化設計，對養護工作來說提供了更多的便利，降低了養護工作的難度和成本。

2 工程實例

2.1 橋梁概況

南方某沿海城市快速路項目某匝道橋是主線橋的下行匝道橋，該橋上行縱向跨越一重要通道的輔道，橋梁全長251.5 m，全橋共三聯?，F討論的預應力鋼筋混凝土偏心橋墩位于第二聯的第二個橋墩，其上部結構采用(4×25 m)現澆預應力混凝土連續箱梁，下部結構為躲避一條規劃道路的輔道，采用獨柱預應力鋼筋混凝土偏心橋墩，承臺接摩擦樁基礎。

橋梁主要尺寸及技術標準為:全寬-8.5 m，凈寬-7.5 m，公路-Ⅰ級荷載，現澆梁高140 cm，瀝青混凝土鋪裝厚10 cm，設計車道數按照兩車道計算， 預應力鋼筋混凝土偏心橋墩墩高為5.3 m，固定墩，7度設防地震烈度。橋跨布置的平縱斷面如圖1所示;預應力鋼筋混凝土偏心橋墩(推薦方案)斷面圖如圖2所示。

圖1 大橋第二聯橋跨布置圖(單位:cm)

圖2 預應力鋼筋混凝土偏心橋墩(推薦方案)與(比較方案)斷面圖(單位:cm)

2.2 方案選取過程及計算基礎資料

在方案選取過程中最初作者設計出的是比較方案(見圖2)——帶蓋梁兩支座偏心墩的方案;而后通過簡化，再次設計產生了第二方案，即推薦方案(見圖2)。

最初的比較方案與后來的推薦方案最大的區別在于，推薦方案適當放棄了對上部結構抗扭性能以及側向穩定性的追求(因為第一、三、四、五橋墩均為雙支座)，用以換取偏心墩力學模型中偏心距最小化。

通過上述方案介紹、比較，以及圖2中顯而易見的型式與尺寸的差別，可以清晰地看到推薦方案在經濟性上，以及力學性能與橋下建筑限界的平衡方面具有較明顯的優勢。

采用上述推薦方案另一個優點是:可以將預應力鋼筋混凝土偏心橋墩墩身處左右分為兩部分，一部分為矩形部分，另一部分為梯形部分，將矩形部分當作偏心受壓構件進行結構計算。計算中需要將梯形部分的自重，以及上部結構在各種工況下的荷載，加載到矩形部分的偏心受壓構件上，以軸力加彎矩的作用在偏心受壓構件上，模擬偏心墩的各種工況條件下所承受的恒載與活載。由于墩身下配有承臺，所以墩身的邊界條件為固結約束。并且由于僅有一個支座，所以在計算中也不用考慮上部結構會對墩身整體產生除了支座位置以外的額外的作用。

綜上所述，最終選定了用單支座異形花瓶墩方案，即推薦方案。

具體的參數的選取，其內容如下所述。

2.2.1 材料選用

墩身:C40混凝土;

鋼筋:R235、HRB335鋼筋;

預應力鋼絞線:270級高強低松弛剛絞線，fpk=1 860 MPa。

2.2.2 外荷載數據

(1)承載能力極限狀態下，上部結構傳給支座的最大反力按照7 260 kN計算。

(2)使用極限狀態長期荷載作用下，上部結構傳給支座的最大反力按照5 313.4 kN計算。

(3)使用極限狀態短期荷載作用下，上部結構傳給支座的最大反力按照5 034.4 kN計算。

(4)梯形段自重按照81.54 kN的軸力，以及47.7 kN·m的偏心彎矩計算。

(5)風荷載水平力取值為80.6 kN，彎矩取值為427.2 kN·m，分項系數取值為1.1。

(6)鋼束參數及數量取值(預應力鋼束布置方案圖如圖3):

張拉控制應力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa;

松馳系數取0.3，孔道摩阻0.25，孔道偏差0.0 015，錨具變形0.006;

鋼絞線數量: (m束×n股):3×9。

圖3 預應力鋼筋混凝土偏心橋墩預應力鋼束布置圖(單位:cm)

2.3 計算及分析

2.3.1 承載能力計算

2.3.1.1 工況Ⅰ橫向穩定檢算

a. 按軸心受壓構件進行橫向穩定檢算:

偏心墩墩身的力學模型按軸心受壓構件進行橫向穩定檢算，根據《鋼筋及預應力混凝土規范》第5.3.1 條規定進行驗算如下:

γo×Nd≤0.9φ(fcd×A+fsd'×As')

式中參數取值見表1所列。

表1 軸心受壓構件橫向穩定檢算參數表

計算結果見表2所列。

表2 軸心受壓構件橫向穩定檢算結果-覽表

張拉預應力階段:

γo×Nd=3 302 kN≤0.9φ(fcd×A+fsd'×As')= 39 900 kN，符合規范規定。

運營階段:

γo×Nd=7 633 kN≤0.9φ(cd×A+fsd'×As')= 39 900 kN，符合規范規定。

b. 按偏心受壓構件進行橫向穩定檢算:

偏心墩墩身的力學模型按偏心受壓構件進行橫向穩定檢算，根據《鋼筋及預應力混凝土規范》第5.3.3～5.3.5條規定進行驗算如下:

結構需要先進行大偏心與小偏心結構的判斷;具體參數見表3所列。

假定按大偏心受壓，σs=fsd=280 MPa

fcd×b×x(es-ho+x/2)=σs×As×es+f'sd×A's×e's可歸類為:

0.5×fcd×b×x2+(es-ho)×fcd×b×x-(σs×As×es+f'sd× A's×e's)=0

根據A×X2+B×X-C=0求解公式，求解過程及結果如表4所列。

對于上述兩階段顯而易見:

X>2a's=2×50=100(mm).

ξ=X/ho

張拉預應力階段:

ξ=0.105≤ξb=0.56，因此該階段為大偏心受壓構件。

運營階段:

ξ=0.330≤ξb=0.56，因此該階段為大偏心受壓構件。

根據公式(5.3.5-1)式:

γo×Nd≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs×As

張拉預應力階段:

γo×Nd=2 930(kN)≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs×As= 4 588(kN)，符合規定。

運營階段:

γo×Nd=7 260(kN)≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs× As=12 033(kN)，符合規定。

根據公式(5.3.5-2)式:

γo×Nd×e≤fcd×b×X×(ho-X/2)+f'sd×As'× (ho-a's)

張拉預應力階段:

γo×Nd×e=7 255(kN·m)≤fcd×b×X×(ho-X/2)+ f'sd×As'×(ho-a's)=11 362(kN·m)，符合規定。

運營階段:

γo×Nd×e=14 769(kN·m)≤fcd×b×X×(ho-X/2)+ f'sd×As'×(ho-a's)=24 479(kN·m)，符合規。

c. 裂縫檢算(偏心受壓):

各參數如表5、表6、表7所列。

根據公式:Wtk=C1×C2×C3×σss/Es×[(30+d)/ (0.28+10×ρ)]

張拉預應力階段:

W tk=0.0 834(mm)<0.2 mm，符合規定。

運營階段:

Wtk=0.1 612(mm)<0.2 mm，符合規定。

表3 軸心受壓構件橫向穩定檢算參數表

表4 軸心受壓構件橫向穩定檢算結果-覽表

表5 裂縫檢算(偏心受壓)參數表(1)

表6 裂縫檢算(偏心受壓)參數表(2)

表7 裂縫檢算(偏心受壓)參數表(3)

2.3.1.2 預應力損失驗算

根據該結構特點，經過驗算，符合規定。

2.3.2 計算分析結論

根據上述的簡化模型分析，以及計算結果，可得到如下結論:(1)根據對簡化后模型的判斷，預應力混凝土偏心墩對上部結構受力除了單支座的影響外無其他不利影響;(2)當下部結構應用預應力混凝土偏心墩后，在一定范圍內可以減少工程造價;(3)在有機調整墩身各部位尺寸后，采用大偏心受壓構件——即預應力混凝土偏心墩，可以在“異形”建筑用地上有效實現下部結構的功效。

3 結語

通過對南方某沿海城市快速路項目中，某高架橋梁的下行匝道橋預應力混凝土偏心墩的討論分析，得到一些針對能保證異形建筑用地正常適用、橋下建筑限界和建筑高度的預應力混凝土偏心墩設計有用的分析方法和結論，有利于經濟較發達地區現代化城市中的高架橋梁設計;同時分析證明了利用預應力混凝土偏心墩在一定范圍內減少工程造價、降低養護難度和養護成本的可能性。

U443.22

B

1009-7716(2015)11-0073-04

2015-08-10

姚莉(1985-)，女，甘肅天水人，工程師，從事公路與市政道路工程設計設計工作，研究方面;橋梁工程。