墩梁剛度對(duì)門式墩受力影響分析

申 昊

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京市 100037)

1 概述

鐵路、地鐵高架橋梁在城市中通過時(shí)，常常呈小角度斜交上跨公路、鐵路。采用門式墩結(jié)構(gòu)可以有效減小上部結(jié)構(gòu)跨度，減小下部結(jié)構(gòu)尺寸，墩柱布置靈活。隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，門式墩結(jié)構(gòu)又逐漸演變出雙柱門式墩、三柱門式墩、M型墩、二層門式墩等多種特殊形式。根據(jù)材料不同，又可詳細(xì)分為：鋼筋混凝土門式墩、預(yù)應(yīng)力混凝土門式墩、鋼門式墩。預(yù)應(yīng)力混凝土門式墩具有適用于更大的跨度，對(duì)侵蝕性環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)剛度大等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛采用，但是其受力更為復(fù)雜，對(duì)不均勻沉降等更加敏感。結(jié)合某鐵路門式墩實(shí)際工程，討論蓋梁、橋墩、基礎(chǔ)剛度對(duì)門式墩整體受力的影響，并提出合理的門式墩優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

2 工程背景及設(shè)計(jì)概況

某新建鐵路斜交上跨既有鐵路，新建鐵路與既有線僅呈8°夾角，如采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)跨越，主跨跨度需108m，設(shè)計(jì)施工難度均較大，橋下凈空不滿足要求。后采用門式墩方案上跨，上部結(jié)構(gòu)采用7-16m簡支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用計(jì)算跨度15.6m門式墩。

圖1 門式墩斜交上跨既有鐵路平面布置

3 梁柱線剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響分析

門式墩蓋梁、墩柱尺寸的擬定除了考慮橋下凈高、凈寬的影響，更要考慮蓋梁線剛度與墩柱線剛度比值變化引起的蓋梁與墩身內(nèi)力變化，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)配筋。

圖2 門式墩斜交上跨既有鐵路立面

3.1 蓋梁、墩身線剛度比的定義

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引起建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的線剛度的概念，并做如下定義：

ib、ic—蓋梁線剛度；

Ib、Ic—蓋梁慣性矩；

bb、bc—蓋梁截面寬度；

hb、hc—蓋梁截面高度；

lb—蓋梁計(jì)算跨度；

lc—橋墩墩身高度；

K—蓋梁、墩身線剛度比。

3.2 不同蓋梁剛度比下蓋梁內(nèi)力分析

在圖2中結(jié)構(gòu)基本尺寸條件下，適當(dāng)調(diào)整墩柱尺寸，研究不同線剛度下蓋梁內(nèi)力變化情況。

表1 門式墩蓋梁基本尺寸

表2 門式墩墩身尺寸及線剛度比

圖3 梁部集中荷載引起蓋梁內(nèi)力

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼束二次力引起蓋梁內(nèi)力

分析模型梁部荷載(恒載+活載)預(yù)應(yīng)力恒載+預(yù)應(yīng)力支點(diǎn)/kN·m跨中/kN·m支點(diǎn)/kN·m跨中/kN·m支點(diǎn)/kN·m跨中/kN·mC183311302096961240067204414C272951373087371344261944822C362011457076701451555435387C450601549564921568447586090

通過改變墩身截面尺寸，研究了不同蓋梁墩身線剛度比情況下蓋梁截面內(nèi)力變化。由表3可見，隨著墩身剛度逐漸降低，蓋梁墩身剛度比逐漸增大，橋墩對(duì)蓋梁的約束作用逐漸降低，跨中彎矩逐漸增大，墩頂彎矩逐漸減小。

通過對(duì)恒載+預(yù)應(yīng)力作用下的蓋梁內(nèi)力分析可以看出，一般設(shè)計(jì)中預(yù)應(yīng)力引起的蓋梁內(nèi)力大于上部梁重恒載引起的蓋梁內(nèi)力，跨中截面產(chǎn)生上緣受拉趨勢(shì)的彎矩，墩頂截面產(chǎn)生蓋梁角隅受拉趨勢(shì)彎矩。當(dāng)蓋梁墩身線剛度由1.0逐漸增加至3.0時(shí)，跨中彎矩逐漸增加，跨中下緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備逐漸增大；墩頂彎矩逐漸減小，角隅處拉應(yīng)力逐漸降低。

實(shí)際門式墩設(shè)計(jì)中普遍存在蓋梁跨中下緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備不足、角隅處由于過多的鋼束張拉產(chǎn)生裂縫等問題。通過上述模型分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著墩身剛度比逐漸降低，跨中壓應(yīng)力儲(chǔ)備逐漸增加，角隅拉應(yīng)力逐漸降低，可以有效降低上述兩種病害，降低預(yù)應(yīng)力配束，設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)。建議設(shè)計(jì)中在保證蓋梁墩身線剛度1∶1～3∶1范圍內(nèi)，適當(dāng)增大蓋梁墩身線剛度比。

3.3 不同蓋梁剛度比下墩身內(nèi)力分析

在圖2中結(jié)構(gòu)基本尺寸條件下，適當(dāng)調(diào)整墩柱尺寸，研究不同線剛度下墩身內(nèi)力變化情況，并采用容許應(yīng)力法檢算鋼筋應(yīng)力及墩身裂縫。

門式墩是一種超靜定結(jié)構(gòu)，除了蓋梁與墩身固結(jié)而引起的自重、外荷載下的墩身結(jié)構(gòu)彎矩，更重要的是鋼束二次內(nèi)力引起的墩身內(nèi)力。

表4 墩身內(nèi)力隨線剛度比變化

通過改變墩身截面尺寸，研究了不同蓋梁墩身線剛度比情況下墩身截面內(nèi)力變化。由表4可見，隨著墩身剛度逐漸降低，蓋梁墩身剛度比逐漸增大， 結(jié)構(gòu)次內(nèi)力顯著降低，墩頂、墩底截面內(nèi)力基本呈線性降低，墩身鋼筋應(yīng)力及裂縫也逐漸下降。

實(shí)際設(shè)計(jì)中普遍存在這樣的病害：施工架梁前對(duì)門式墩蓋梁超張拉，墩頂角隅、墩底承臺(tái)頂截面產(chǎn)生較大裂縫；承臺(tái)頂產(chǎn)生較大的偏心力，基礎(chǔ)產(chǎn)生向門墩內(nèi)側(cè)的不均勻沉降。

通過上述模型分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著墩身剛度比逐漸降低，墩頂、墩底截面偏心受壓彎矩逐漸增加，角隅處拉應(yīng)力逐漸降低，可以有效降低上述兩種病害，降低預(yù)應(yīng)力配束，設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)。建議設(shè)計(jì)中在保證蓋梁墩身線剛度1∶1～3∶1范圍內(nèi)，適當(dāng)增大蓋梁墩身線剛度比。

4 群樁樁基剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響分析

門式墩設(shè)計(jì)、計(jì)算中，外部荷載條件不變時(shí)，墩柱內(nèi)力對(duì)約束條件十分敏感：當(dāng)基礎(chǔ)剛度模擬過強(qiáng)時(shí)，墩身內(nèi)力顯著增加，蓋梁內(nèi)力有所減小，導(dǎo)致蓋梁配束偏于不安全，而墩身配筋過強(qiáng)；而基礎(chǔ)剛度模擬過弱時(shí)，墩身內(nèi)力顯著減小，蓋梁內(nèi)力相應(yīng)增加，導(dǎo)致蓋梁配束增加，而墩身配筋偏小。

4.1 群樁樁基剛度模擬

門式墩一般采用群樁基礎(chǔ)，群樁基礎(chǔ)剛度的模擬一般采用《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的解析算法。

圖5 群樁基礎(chǔ)剛度模擬

4.2 不同群樁樁基剛度結(jié)構(gòu)內(nèi)力

群樁基礎(chǔ)剛度可采用空間樁基計(jì)算程序B89模擬，得到樁基群樁[K]。將計(jì)算得到的理論[K]、0.5[K]、2[K]施加于承臺(tái)底，并對(duì)3種情況下的墩頂、墩底、蓋梁跨中進(jìn)行了比較。

表5 墩身內(nèi)力隨線剛度比變化

表6 樁身內(nèi)力隨線剛度比變化

4.3 不同群樁樁基剛度結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較

根據(jù)表5可以看出：

(1)不同樁基剛度下，計(jì)算得到的墩身、蓋梁內(nèi)力均有顯著變化。

(2)當(dāng)樁基剛度增加時(shí)，墩頂、墩底截面橫向彎矩顯著增加。通過對(duì)橫向彎矩組成進(jìn)行對(duì)比，增加的彎矩主要由鋼束次內(nèi)力、收縮徐變二次力引起。

(3)墩身軸向內(nèi)力受樁基剛度影響不大。

(4)蓋梁的彎矩、軸力受群樁剛度影響不大，剛度增加后蓋梁軸力有所減小，蓋梁彎矩有所增加。

根據(jù)對(duì)不同樁基剛度下的墩身、蓋梁計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，除了按規(guī)范計(jì)算得到的樁基剛度模擬土彈簧，安裝于承臺(tái)底部，尚應(yīng)乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橋墩配筋，便于墩身設(shè)計(jì)留有適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

4.4 不同群樁樁基剛度樁基內(nèi)力比較

表6為不同剛度下樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)比了群樁剛度、0.5倍群樁剛度、2倍群樁剛度下的樁頂軸力、樁頂彎矩。

從表6計(jì)算結(jié)果得出：

(1)隨著樁基剛度增加，墩底彎矩隨之增加，樁身受力產(chǎn)生明顯偏壓現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)樁頂軸力顯著大于框架外側(cè)。

(2)同時(shí)，隨著樁基剛度增加，樁頂彎矩顯著增加，外側(cè)樁基配筋困難，甚至需增設(shè)雙筋。

根據(jù)對(duì)不同樁基剛度下的樁基計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，除了按規(guī)范計(jì)算得到的樁基剛度模擬土彈簧，安裝于承臺(tái)底部，尚應(yīng)乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行樁基配筋及承載力驗(yàn)算，便于墩身設(shè)計(jì)留有適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

5 結(jié)論

(1)門式墩結(jié)構(gòu)為高次超靜定結(jié)構(gòu)，墩身、蓋梁內(nèi)力對(duì)墩梁剛度比變化敏感，建議常規(guī)設(shè)計(jì)控制墩梁剛度比1∶2～1∶3，鋼束有效利用率高，墩身橫向次彎矩較小。

(2)門墩墩底群樁剛度對(duì)墩身內(nèi)力及配筋影響較大，隨著樁基剛度增加，墩身彎矩增加明顯。減小樁基根數(shù)，減小樁基凈距可有效降低橋墩橫向受力，優(yōu)化墩身配筋。

(3)蓋梁配筋受樁基剛度影響小，可采用理論群樁剛度進(jìn)行計(jì)算，墩身、樁基配筋則受群樁剛度影響較大，考慮施工誤差及承臺(tái)側(cè)面土壓力的影響，工程中宜按1.2～1.3倍理論剛度進(jìn)行墩身內(nèi)力計(jì)算、配筋。