福州市尤溪洲北橋頭單邊大懸臂獨柱橋墩設計

肖澤榮

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350000)

0 引言

城市互通立交橋的橋墩通常采用花瓶墩、板式墩、獨柱墩和門架墩等形式。有些立交橋由于受到橋下用地緊張和地面交通組織等限制因素的影響，可采用大懸臂獨柱墩的結構形式[1-3]。本文將從福州市尤溪洲北橋頭互通立交改造工程中的大懸臂獨柱墩提出背景、設計思路及應用幾個方面進行較為深入的闡述，供廣大同仁參考借鑒。

1 工程背景

福州市尤溪洲北橋頭互通立交是福州市二環路跨越江濱西大道的一個互通立交，現狀立交為部分互通式立交，僅設置兩個右轉匝道與江濱西大道相連，存在轉向交通不暢等問題。本次改造通過增設3條匝道來改善現狀立交的轉向交通問題。其中新建A匝道與現狀匝道拼接點位于江濱西大道上方，如圖1所示。

圖1 A匝道與現狀匝道拼接位置圖

A19墩位于新舊匝道相接位置，若采用花瓶墩、板式墩或一般獨柱墩，都將占用地面2個車道。若采用門架墩，則會影響江濱西大道的景觀。因此，本文作者提出采用單邊大懸臂獨柱墩作為A19墩的墩型，將橋墩布置于靠現狀道路邊線，蓋梁采用單邊懸臂。該方案在其匝道正下方布置一個地面機動車道，且墩柱位于車行道外側，不僅解決地面交通組織，同時又滿足了城市景觀的要求。

2 單邊大懸臂獨柱橋墩設計

2.1 構造尺寸

墩身采用2m×2.5m的方形截面，蓋梁單邊大懸臂長度為4.15m，兩個支座中心線距懸臂固定端的距離分別為0.85m和3.35m，蓋梁下緣與墩身之間采用半徑為1m圓弧過渡。其基本構造如圖2所示。

(a)立面圖 (b)側面圖

2.2 預應力鋼束布置

為克服偏心造成墩身截面產生較大的彎矩，設置了縱向和橫向預應力鋼束加強橋墩截面強度。豎向預應力鋼束采用國際標準的預應力鋼絞線，公稱直徑15.24mm，張拉強度為1860MPa。橫橋向設置成兩排，每排4束，貫穿墩身并錨固在承臺中。橫向預應力筋設置在蓋梁中，共5束，主要抵抗外部作用對蓋梁產生的彎矩以及剪力，預應力鋼束布置如圖3所示。

3 結構建模與計算參數取值

采用橋梁博士建立的A19橋墩計算模型，如圖4所示。由于現場地質條件較好，且承臺剛度比墩身剛度大得多，按剛性地基假定，將墩身底與承臺連接視為固結，進行有限元分析。

圖3預應力鋼束布置圖(單位：cm)

圖4 橋墩計算模型

3.1 施工階段驗算

在懸臂墩施工過程中，為防止控制截面在施工過程中出現過大的拉應力，該設計對施工全過程進行了詳細規定，對鋼束張拉、鋼箱梁吊裝和現澆箱梁等過程進行分階段細化，具體施工工序如圖5所示。

圖5 施工工序

鋼絞線張拉控制應力值σcon=0.7fpk=1302MPa。表1為施工階段懸臂端與墩身混凝土的最大、最小正應力。由表1可見，施工階段混凝土應力均滿足要求[4-6]。

表1 A19橋墩施工階段混凝土應力表 MPa

注：負號表示拉應力

3.2 正常使用極限狀態驗算

3.2.1抗裂驗算

(1)頻遇組合

圖6與圖7分別為頻遇組合下截面上下緣的正應力及截面的主拉應力。

由圖6可以看出，頻遇組合下，A19橋墩上緣最小正應力出現在懸臂根部，為0.32MPa；下緣最小正應力出現在懸臂端部，為0.9MPa，均在允許值(-1.85MPa)內。

由圖7可以看出，頻遇組合下，A19墩的主拉應力最大值出現在左側支座處，為-0.9MPa，在允許值(-1.33MPa)內。

圖6 截面上下緣正應力(MPa) 圖7 截面主拉應力(MPa)

(2)準永久組合

圖8為準永久組合下A19橋墩各截面上下緣的正應力。

由圖8可以看出，準永久組合下，A19橋墩上緣最小正應力出現在懸臂根部，為0.32MPa；下緣最小正應力出現在懸臂端部，為0.17MPa，均未出現拉應力。

由上述計算結果可知，A19墩在頻遇組合及準永久組合下的抗裂驗算滿足要求[4-6]。

3.2.2標準組合下應力驗算

(1)混凝土壓應力

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)第7.1條規定，持久狀況預應力混凝土構件應力計算時，其應力值取標準組合值。圖9為標準組合下縱梁截面上下緣的最大正應力。

圖8 準永久組合下正應力圖(MPa) 圖9 持久狀況下主應力圖(MPa)

由圖9可以看出，A19橋墩懸臂梁部分最大正應力出現在右側支座位置，為6.04MPa，在允許值(19.4MPa)內。因此，A19墩在持久狀況下混凝土應力滿足要求[4-6]。

(2)預應力鋼束

由表2可知，A19墩在持久狀況下預應力鋼筋的應力滿足要求。

表2 持久狀況預應力鋼筋應力匯總表 MPa

3.3 承載能力極限狀態強度驗算

3.3.1正截面抗壓承載力驗算

圖10與圖11分別為基本組合下A19橋墩彎矩包絡圖與軸力包絡圖。

圖10 彎矩包絡圖(kN·m) 圖11 軸力包絡圖(kN)

由圖10和圖11可以看出，承載能力極限狀態下A19橋墩的正截面抗壓承載力滿足要求[4-6]。

3.3.2斜截面抗剪強度驗算

斜截面抗剪強度驗算取用的荷載效應為基本組合效應值，按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)第5.2.9條驗算截面尺寸，按照第5.2.7～5.2.8條驗算斜截面抗剪承載力。主梁最大剪力及抗力如表3所示。

表3 A19橋墩最大剪力及抗力表 kN

由表3可見，懸臂梁斜截面抗剪強度滿足規范要求[4-6]。

4 單邊大懸臂獨柱橋墩的特點

(1)可將橋墩布置于影響地面交通小的一側，以提高橋下空間的利用率，同時可以有效避開地下難以遷改管線，縮短施工工期。

(2)墩身屬于大偏心受壓構件，通過施加豎向預應力，來抵抗較大彎矩。懸臂梁屬于受彎構件，上側通過施加橫向預應力，來抵抗較大拉應力。

(3)獨柱支承體系，結構承受著“彎、扭、剪”的復雜共同作用，懸臂端同時承受縱、橫雙向彎矩作用，受力極其復雜，易產生較大的橫向彎矩。

5 結語

單邊大懸臂獨柱墩在福州市區第一次應用，該設計中仍存在許多不足，例如預應力鋼束張拉次數較多、墩身尺寸過大等情況，需要今后不斷去優化。但從設計及施工應用效果來看，其不僅少占用江濱路現有車道，保證了江濱路足夠的車行道寬度。同時，也與江濱路下穿通道在空間上的協調，保證了江濱路視野的通透，達到滿足城市景觀的要求。因此，該類墩型方案不僅在技術上安全可行，而且在交通和景觀方面均滿足要求，值得廣大橋梁設計者參考并推廣。

參考文獻

[1] 秦志軍, 賈旭東，等.獨柱大懸臂蓋梁橋墩設計與應用[J].山西交通科技, 2007(4):48-50.

[2] 米春陽.大懸臂預應力蓋梁橋墩設計探討[J].橋梁與隧道工程, 2012(8):101-103.

[3] 祁巍, 聶擁軍.大懸臂預應力蓋梁設計與計算[J].城市道橋與防洪, 2015(4):65-68.

[4] JTG D60-2015 公路橋涵設計通用規范 [S].北京: 人民交通出版社, 2015.

[6] JTG D63-2007 公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京: 人民交通出版社, 2007.

[6] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京: 人民交通出版社, 2004.