城市改擴建橋梁整體式蓋梁橋墩設計要點分析

摘要：文章以某城市改擴建橋梁為工程背景，介紹了整體式蓋梁橋墩的設計方案和設計要點，并利用Midas Civil軟件建立整體模型對橋墩進行受力分析，驗證了其合理性，為同類型橋墩設計提供參考。

關鍵詞：改擴建;整體式蓋梁;橋墩設計

中圖分類號：U443. 22文獻標識碼：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 035

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0127 - 04

0 引言

隨著經濟的高速發展，我國進入到城市化發展的建設高潮，日益增長的交通量給城市道路的建設帶來了巨大挑戰，由此涌現出一大批改擴建道路項目。其中城市橋梁建設面臨著擴建需求大、擴建空間小、景觀要求高等設計問題，亟待解決[1]。

本文結合某城市改擴建橋梁工程中橋墩的設計，對整體式蓋梁橋墩的設計方案、設計思路、方案計算進行探討。

1 工程概況

1.1 原設計狀況

某城市改擴建工程橋梁原上部結構為5x25 m先簡支后連續小箱梁，原下部結構橋墩采用1.3 mx1.3 m雙柱式方墩，預應力雙懸臂蓋梁，承臺為7.2 mxs.2 mx1.8 m工字型承臺，承臺下設4根φ1.2m的樁基。原設計橋寬為31.5 m，雙向六車道，原設計車速為80 km/h，原設計荷載公路I級。原橋標準斷面如下頁圖1所示。

考慮到該橋所處道路為城市交通組織的關鍵通道，隨著機動車數量的增加，該橋負荷嚴重，交通壓力巨大。為緩解擁堵的交通，對該橋進行改擴建。

1.2 改擴建設計方案

改建后橋梁寬度擴寬至45.5 m，雙向十車道標準，設計荷載、設計車速保持不變。

考慮到橋梁縱斷面發生變化，經過方案比選，采用對上部結構和蓋梁拆除重建，保留樁基、承臺和墩柱的改擴建方案：即上部結構跨徑與原橋梁跨徑一致，仍采用5x25 m先簡支后預應力連續小箱梁結構;下部結構拆除蓋梁和立柱，利用原承臺和樁基，兩側增加墩柱，通過整體式蓋梁進行連接。改擴建后的橋梁標準斷面如下頁圖2所示。

2 橋墩設計施工

2.1 結構尺寸

以該橋2#墩為例對橋墩的設計和計算進行介紹。

改擴建橋墩采用整體式預應力混凝土蓋梁，原橋墩保留原橋梁樁基、承臺，在舊承臺及兩側各新增一個1.3 m（順橋向）×1.8 m（橫橋向）的立柱，立柱下設尺寸為2.5 mx6. 25 mx2.5 m的新承臺，承臺下為2根φ1.5 m樁基。橋墩立柱長6m，新樁與原橋樁長一致，均為端承樁，樁長55 m，持力層為中風化泥質粉砂巖。

預應力混凝土蓋梁采用A類預應力混凝土結構，預應力鋼束采用φ15 24 mm高強度、低松弛鋼絞線。預應力管道采用金屬波紋管，管道摩擦系數為0.16，管道局部偏差的摩擦影響系數為0.001 5/m。預應力鋼束的張拉控制應力設計值1395 MPa。蓋梁預應力鋼束布置如圖3所示。

2.2 橋墩施工

施工時先將原蓋梁及墩柱切除，應保留鋼筋并與墩柱新鋼筋焊接伸入新建墩柱。

新建蓋梁具體施工步驟為：（1）搭設支架澆筑蓋梁，蓋梁強度達到設計強度的100%后，張拉N3鋼束;（2）拆除支架，然后架設小箱梁，先單幅架設完成后再架設另外單幅，待左右幅箱梁架設完成后張拉N2、N1鋼束;（3）澆筑連續接頭、橋面板濕接縫混凝土，張拉小箱梁頂板負彎矩鋼束并壓注水泥漿，進行小箱梁體系轉換;（4）進行橋面鋪裝施工，注意各施工階段左、右幅需同步。

3 橋墩計算

3.1 計算模型

整體式蓋梁采用Midas Civil 2019軟件建立模型，模擬其施工過程，進行有限元分析。

其中上部結構的作用通過上部虛擬梁進行模擬，用于加載上部結構作用力以及橫向移動荷載。承臺與樁基的連接通過剛性連接模擬。樁基與周圍土體作用采用“m”法，根據地質資料計算得到土彈簧的模擬值。樁基為嵌巖樁，樁底邊界條件考慮為固結[2]。計算模型見圖4。

3.2 荷載作用

橋墩的主要荷載及作用組合如下：（1）恒載：主要有上部小箱梁自重、蓋梁預應力、主梁連續后澆帶自重及負彎矩區預應力、二期鋪裝荷載等，將上部恒載簡化為集中力加載在蓋梁相應位置處;（2）活載：汽車荷載標準為公路-I級，通過Midas Civil軟件的橫向移動荷載功能加載，本橋為雙向十車道，橫向折減由軟件自動考慮;（3）溫度荷載：整體升溫、整體降溫25℃，按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60 -2015）考慮溫度梯度;（4）荷載組合：荷載組合根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60 - 2015），由MidasCivil軟件自動生成。

3.3 蓋梁計算結果

蓋梁計算根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362 - 2018）相關規定進行持久狀態承載能力極限狀態、持久狀態、正常使用極限狀態和持久狀態構件應力驗算等。

3.3.1 承載能力極限狀態組合驗算

蓋梁構件的彎矩包絡圖、剪力包絡圖如圖5～6所示。

由蓋梁彎矩包絡圖（見圖5）可知，蓋梁的最大彎矩包絡值為18 105 kN.m，小于其對應的抗力值33 590 kN·m;最小彎矩包絡值為7 253 kN·m，小于其對應的抗力值19 389 kN.m。蓋梁所有截面內力均滿足規范要求。

由蓋梁剪力包絡圖（見圖6）可知，蓋梁的最大剪力包絡值為7 406 kN，小于其對應的抗力值11 446 kN;最小剪力包絡值為7 709 kN，小于其對應的抗力值10 358 kN。蓋梁所有截面內力均滿足規范要求。

3.3.2 正常使用極限狀態組合驗算

蓋梁正常使用極限狀態下短期效應截面法向拉應力包絡圖、長期效應截面法向拉應力包絡圖和斜截面抗裂驗算應力包絡圖如圖7～9所示。

由圖7～9可知，長短期組合下，應力均滿足規范要求。

3.3.3 持久狀態構件應力驗算

蓋梁持久狀況實驗階段正截面主壓應力包絡圖、斜截面主壓應力包絡圖如圖10～11所示。

由圖10～11可知，正截面主壓應力、斜截面主壓應力均滿足規范要求。

3.4 墩柱計算結果

取受力最大的墩柱進行偏心受壓承載能力驗算，在最小軸力工況和最大彎矩工況下橋墩的偏心受壓情況，驗算結果如圖12～13所示。

由圖12～13可知，橋墩立柱偏心受壓承載力滿足規范要求，且有較大的富余量。

3.5 樁基計算結果

樁基的彎矩圖如圖14所示，可知新建1.5m樁基的最大彎矩為1030.6 kN.m，原橋1.2m樁基的最大彎矩為314 kN.m。查閱圖紙可知，新建樁基配置32根φ25 mm鋼筋，原橋樁基配24根φ25 mm鋼筋。經驗算，樁基承載力滿足規范要求。

由上述計算結果可知，改建后橋墩蓋梁、墩柱及樁基均滿足設計要求，結構較為安全。

4 結語

為適應社會的快速發展，城市橋梁改擴建項目越來越多，采用整體式蓋梁的橋墩設計可利用既有下部結構，通過增大蓋梁跨徑、減少新增樁基數量，在施工和經濟上有一定的優勢。同時，通過有限元計算分析可知，該方案在技術上合理可行，可為同類型改擴建設計提供參考。

參考文獻

[1]吳萍.洛三高速公路改擴建橋涵設計要點[J].中外公路，2011 ，31 （5）：164 -167.

[2]米春陽.大懸臂預應力蓋梁橋墩設計探討[J].交通運輸研究，2012（8）：101 - 103。

作者簡介：熊光前（1968-），工程師，主要從事橋梁建設施工、公路建設施工與監督、橋梁管理及檢查維護、各種項目評審及驗收工作。