大跨度預應力門架墩結構形式分析

謝 鵬

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心，廣東 廣州 510199）

1 工程概況

廣東省河惠莞高速公路紫金大橋2＃橋左幅橋跨布置為（4×30+3×40+ （30+2×40） + （33+2×55+33） +8×30）m，右幅橋跨布置為（5×30+3×40+3×30+ （33+2×55+33） +（2×40+30） +5×30）m。省道S242遠期規劃下穿左幅11～12孔、右幅13～14孔，受省道242影響該跨采用雙柱式門架墩結構，門架墩跨徑35.6m，最高墩柱33.3m。門架墩采用截面3m×2m的實心矩形墩，基礎采用群樁，蓋梁采用C55混凝土實心梁，截面尺寸為4.5m×3m，每片蓋梁采用33根預應力鋼絞線，每束13根。上部結構為10片40m預應力T梁。

2 有限元分析

運用有限元軟件Midascivil2018對紫金大橋2＃橋門架墩進行分析，結構采用梁單元模擬，研究考慮混凝土的收縮徐變、預應力的損失、幾何非線性等條件，主墩邊界條件采用固結，主墩與蓋梁之間分別采用不同的連接方式［1-2］。荷載＝恒載+活載，門架墩恒載主要包括自重和二期鋪裝，包括上部T梁自重、橫向連接、橋面鋪、護欄荷載，活載包括汽車荷載。墩柱采用C35混凝土，蓋梁采用C55混凝土，混凝土容重采用2.6t／m3，鋼絞線采用高強度、低松弛的270級鋼絞線，每根公稱面積139mm2，標準強度fpk＝1860MPa，錨下控制應力1339.2MPa，門架墩共分81個單元，有限元模型見圖1。

3 連接形式對結構力學性能影響

為清晰表示結構受力特性，分別取墩柱墩頂、蓋梁線路中心點作為代表受力點，分析結構受力特性。

3.1 固結形式

墩柱與蓋梁采用固結形式，蓋梁采用現澆施工，計算變形和應力見圖2。

圖1 門架墩有限元模型

圖2 固結形式計算結果

第一排門架墩在施工過程中變形情況：在蓋梁與墩柱固結的形式下，在二期恒載施工后，墩頂A點最大豎向變形-1.71mm，最大橫向變形-3.3mm，B點豎向最大變形為1.26mm，最大橫向變形0.53mm。

受縱坡影響，第二排門架墩在施工過程中變形情況為：在蓋梁與墩柱固結的形式下，在二期恒載施工后，墩頂D點最大豎向變形-2.16mm，最大橫向變形-3.68mm，E點豎向最大變形為0.36mm，最大橫向變形3.75mm。

3.2 鉸接形式

墩柱與蓋梁采用鉸接形式，施加蓋梁與墩柱之間的X方向、Z方向位移、Y方向轉動、Z方向轉動約束，蓋梁僅可繞X軸轉動和Y方向水平位移，蓋梁采用現澆施工，計算變形和應力見圖3。

第一排門架墩在施工過程中變形情況：在蓋梁與墩柱鉸接的形式下，在二期恒載施工后，墩頂A點最大豎向變形-1.71mm，最大橫向變形0mm，B點豎向最大變形為4.2mm，最大橫向變形-0.1mm。

受縱坡影響，第二排門架墩在施工過程中變形情況為：在蓋梁與墩柱鉸接的形式下，在二期恒載施工后，墩頂D點最大豎向變形-2.2mm，最大橫向變形0mm，E點豎向最大變形為2.6mm，最大橫向變形0.7mm。

4 不同連接形式下結構分析

蓋梁與墩柱連接方式不同，結構的變形差別較大，墩柱與蓋梁固結的情況下主墩變形較大，墩頂A點豎向變形差值為0mm，橫向變形差值3.3mm，墩頂D點豎向變形差值為0.04mm，橫向變形差值3.68mm，固結形勢下墩柱水平變形較大，豎向位移基本一致。B點豎向變形差值為2.94mm，橫向變形差值0.63mm，墩頂E點豎向變形差值為2.24mm，橫向變形差值3.01mm，固結形勢下蓋梁水平和豎向變形差值較大。

表1 不同連接方式下應力計算結果

由表1所知，蓋梁與墩柱連接方式不同，結構的受力差別較大，墩柱與蓋梁固結的情況下，主墩受力較大，墩頂A點軸力相差16kN，彎矩相差10582.6kN·m，墩頂D點軸力相差3kN，彎矩相差8427.7kN·m，主墩與蓋梁固結形式下，主墩承受較大的彎矩。B點蓋梁軸力相差542kN，彎矩相差-220914kN·m，E點蓋梁點軸力相差-9567kN，彎矩相差-9680.2kN·m，固結形勢蓋梁承受的彎矩教訓。

在主墩與蓋梁固結的形勢下，由于主墩收到的彎矩較大，特別是在預應力張拉過程中，墩底混凝土受到較大的拉應力，拉應力為2.6MPa，二期鋪裝施工后墩底全部受壓，應力見圖4。

圖3 鉸接形式計算結果

圖4 固結形式應力云圖

5 結語

基于紫金大橋2＃橋門架墩工程實例，采用數值模擬方法研究了墩柱與蓋梁連接形式對結構力學性能的影響，得到以下結論：

1）大跨預應力門架墩可采用墩柱與蓋梁固結與鉸接的形式，固結形式下墩柱與蓋梁同時承受彎矩，結構整體受力均衡，但在預應力施工過程中容易產生墩底混凝土拉應力。

2）墩柱與蓋梁鉸接的形式，蓋梁承受較大的彎矩，對蓋梁截面尺寸要求較高，墩柱基本上只受壓，由于受支座等摩阻力影響，墩柱受到輕微的彎矩作用。

3）對于墩柱較高的門架墩，特別是30m以上的門架墩，建議采用墩柱與蓋梁鉸接的形式。通過預應力張拉使得蓋梁產生一定的預拱度，可抵消二期鋪裝施工后產生的豎向變形。

4）墩柱與蓋梁鉸接可采用具有多向約束的板式支座進行施工，僅保留蓋梁橫向水平位移和繞墩頂Y軸轉向。