橋梁門式框架墩設計研究

詹航 張謙 歐陽澤卉

摘要：在公路、市政及輕軌橋梁建設中，由于既有道路或構造物導致橋梁小角度跨越較多，因此，框架墩被廣泛應用。文章以新207國道大橋2#墩為例，介紹3柱框架墩的設計研究過程，并根據框架墩的建設條件分析不同結構方案的受力特點，同時基于線性疊加原理提出該類結構的鋼束配置策略，最終確定合理的橋墩結構形式，為框架墩的設計與應用提供借鑒。

關鍵詞：框架墩;固結;預應力;設計

0 引言

新207國道大橋（圖1）是襄陽繞城高速公路南段一座控制性橋梁，在里程樁號K42+589.3與新207國道K2460+990交叉，交角29°，采用2×58 m變截面連續組合梁橋上跨新207國道，橋下凈空按6×26 m控制。大橋主梁鋼梁采用鋼槽梁，單箱單室結構，直腹板，梁高3～4 m，頂板寬1 m，底寬6.39 m;箱梁頂板厚28～44 mm，腹板厚16～20 mm，底板厚16～20 mm;底板采用T型肋加勁，橫向間距為800 mm，橫隔板順橋向標準間距為3.5 m，中橫隔板厚16 mm，端支承橫隔板厚32 mm;主墩設計為矩形柱式墩，組合梁橫梁外伸至墩柱，過渡墩采用分離式蓋梁柱式墩，采用樁基礎。建設過程中考慮到過渡墩墩柱處于新207國道路基邊坡擋墻處，距離新207國道最外側行車道較近，為避免過渡墩遭受意外撞擊，故將過渡墩設計由分離式蓋梁柱式墩調整為3柱框架墩。本文以2#墩為例介紹3柱框架墩的設計研究過程。

1 框架墩設計方案

框架墩因布置靈活而在道路交叉中的應用非常廣泛，尤其是當既有或規劃道路地上、地下附著物錯綜復雜，道路交叉角度小時，更凸顯這種下部結構形式的優越性。框架墩可按照材料不同，分為普通鋼筋混凝土、預應力筋混凝土、鋼結構3種形式;按照墩柱個數分為雙柱、3柱及多柱框架墩[1]。本橋主梁為鋼混組合梁，無法采用鋼結構框架墩，且按照橋墩避讓要求，最終確定將2#過渡墩由分離式蓋梁柱式墩合并為3柱框架墩。2#過渡墩的墩柱間距分別為8.2 m和14.5 m，墩柱間距相差較大，在滿足支撐上部結構及橋下凈空要求，并考慮墩柱抗推剛度和高差、預應力布置及外觀等因素后，具體的橋墩結構方案如圖2所示。橫梁高×寬為2 m×2.5 m，靠近墩柱側設置加厚段，提高墩頂附近抗剪承載力，墩柱尺寸順橋向×橫橋向均為2.5 m×2 m，采用2 m厚承臺接4根直徑1.2 m樁基礎。

按照墩柱和橫梁的合理剛度匹配原則，本橋2#框架墩橫梁梁高不能取值過大，一方面足夠滿足橋下通行凈空，另一方面不會因受力分配導致橋墩整體尺寸擬定過大而造成浪費。

由于2#框架墩跨徑較大，承擔的上部結構荷載也很大，溫度荷載效應在所承受的各分項荷載效應中所占比重也最大，在結構尺寸確定的情況下只能通過比選合適的結構體系方案和尋找對應的最優鋼束布置，從而減小溫度荷載效應，改善結構整體受力狀態，也避免因體系不合理導致配置過多的預應力鋼束。方案一為框架墩與框架梁全部固結，橋墩整體性和抗震性能較好，超靜定次數多，受力較復雜，混凝土收縮徐變和預應力效應受結構體系影響大，施工時需整體澆筑墩梁;方案二為中墩與框架梁固結，邊墩釋放除縱橋向和豎向以外的約束，在簡支情況下，邊墩墩梁結點處預應力、收縮徐變和溫度作用效應得到緩解，體系受力形式明確[2]。

2 結構分析及配束

框架墩通常為預應力超靜定結構，主要承受自重、上部結構傳遞的恒活載、汽車制動力、系統溫度及預應力作用等。本橋根據過渡墩的約束情況不考慮汽車制動力，采用Midas軟件建立有限元分析模型（見下頁圖3），計算結構效應并配置鋼束后進行承載力驗算。

2.1 分析要點

本橋2#橋墩均采用矩形截面建立梁單元模型，墩柱與框架梁之間模擬彈性連接，橋墩汽車活載通過建立虛擬橫梁傳遞，在支座位置處模擬支座支承剛度。

對于框架墩基礎約束條件的模擬，因本橋墩墩高較小，樁土約束條件對分析結果影響很大，需要根據梁柱線剛度之比確定樁基合理的模擬剛度。在實際設計中，通常以換算深度hm=2×（d×1）范圍內的土層水平抗力比例系數作為整個土層對樁的等效作用m值。若模擬約束較實際強時，過大的樁基剛度導致墩柱分擔的荷載較橫梁大，框架梁分擔過小而偏于不安全，反之墩柱和基礎設計不安全，這與真實值必然存在誤差，故本橋樁基礎按實際土彈簧剛度模擬[3]。

橋墩及上部結構恒載取實際重量，汽車作用于虛擬橫梁上的單個車輪荷載由上部結構產生的總支座反力反算得到，溫度作用考慮20 ℃整體升降溫。施工階段模擬順序為：框架墩支架現澆→分批張拉預應力→架設主梁（含二期）→10年收縮徐變。

由于橋墩結構和荷載的不對稱性，使得鋼束布置對橋墩結構受力影響非常大，需要通過不斷調整配束進行試算，才能得到合理的鋼束配置參數（配束策略見后）。2#橋墩最終分析結果表明，采用方案一時，框架梁最大壓應力為15.3 MPa，最大拉應力為-0.2 MPa，通過合理的配束可以滿足承載能力和正常使用極限狀態驗算，但邊墩最大拉應力達到3.5 MPa，墩柱底部將承擔較大彎矩，滿足偏心受壓承載能力和裂縫限制條件下，邊墩需配置較多的受力主筋，且墩梁結點過強也不利于抗震耗能。采用方案二時，框架梁最大壓應力為14.9 MPa，最大拉應力為-2.4 MPa，邊墩壓應力為1.5 MPa，邊、中墩柱保持全截面受壓，該方案因降低了結構超靜定次數，故鋼束數量可明顯減少，橋墩縱向穩定也可得到保證。另外，方案一框架墩在施工、通車運營過程中受諸多因素影響會使邊墩產生內傾，混凝土徐變收縮也進一步加劇這種不利變形。為了改善框架墩受力狀態，通常對邊墩墩頂由內向外施加一定的水平頂推力，抵消上述因素產生的變形，降低邊墩墩底的彎矩。

2.2 鋼束配置

本橋2#墩在配束試算過程中，基于線形疊加原理分析“恒活載+溫度作用”、鋼束一次、“鋼束二次+收縮徐變二次”產生的3種彎矩內力圖，將框架墩劃分鋼束調整區域進行逐步調束試算（圖4）。這種方法對超靜定次數多的結構配置鋼束具有思路清晰、效率高的優勢，并形成如下配束策略：（1）A區域截面下緣不宜布置多層鋼束，上緣需與之平衡，且上彎中層束也有利于滿足截面抗剪和鋼束布置空間要求，這樣可降低此處截面鋼束一次、“鋼束二次+收縮徐變二次”合計的抗力彎矩，避免導致方案一截面上緣和方案二截面下緣過度受壓;（2）B區域截面彎矩效應控制框架梁的鋼束總根數，抗力彎矩由鋼束一次提供，可通過增加截面頂層束或鋼束靠近上緣布置滿足承載要求，但頂層束布置過多，將導致類似（1）中的壓應力和張拉端下緣壓應力不易滿足規范要求;（3）C區域墩柱間距較大，可通過靠近下緣布置鋼束或將鋼束靠近邊墩起彎滿足抗力要求;（4）短暫狀況應力通過調整架梁和鋼束分批張拉施工次序滿足規范要求。

最終滿足受力和構造要求的鋼束布置如圖5所示。方案一配置21根s15.2-19鋼束，方案二配置19根s15.2-17鋼束。結果表明，方案一與方案二鋼束形狀基本相同，大體與彎矩內力圖相似;方案二配束過程較方案一簡單，所需鋼束用量較小。

實際施工過程中，結合橫梁在預應力和恒載等施工荷載作用下截面邊緣混凝土法向應力和撓度變形要求，最終確定本橋2#墩施工階段順序為：框架墩支架現澆→N4鋼束→N2鋼束→N3鋼束→架設主梁→N1鋼束→N5鋼束→橋面系。

3 結語

在公路、市政及輕軌橋梁建設中，由于既有道路或構造物導致橋梁小角度跨越較多，因此，框架墩被廣泛應用。新207國道大橋由于主梁鋼結構部分已經在工廠制作，無法通過加長墩頂鋼橫梁的方式實現一孔跨越，而采用門型框架墩結構形式，并合理釋放約束，可有效解決這類實際工程問題。

（1）框架墩可根據邊界條件設計為不同材料和結構形式，本文對比了柱間距差異較大的3柱框架墩采用不同結構方案的受力特點。

（2）由于橋墩結構和荷載的不對稱性，框架梁設置截斷鋼束更容易滿足結構受力要求，但鋼束截斷后難于錨固，而選擇通長束較為浪費。本橋從采用一次落架施工方式以及截面抗剪兩個角度考慮，采用對稱彎起通長鋼束。

（3）對于超靜定次數多的橋墩，鋼束配置過程較復雜，可基于線性疊加原理逐步分析出配束策略。

（4）框架墩與框架梁全部固結時，“鋼束二次+收縮徐變二次”效應對鋼束配置影響很大，可通過釋放邊墩約束降低結點處的配束難度，減少鋼束數量，同時避免采用因邊墩產生內傾水平位移而施加頂推力的施工措施，使橋墩結構受力形式更加明確。

參考文獻：

[1]余 江，郭 劍.高速公路大跨徑框架墩的設計研究[J].公路交通科技，2011（6）：203-205.

[2]田萬俊.預應力混凝土框架墩設計研究[J].鐵道標準設計，2003（8）：67-69.

[3]張明欣.大跨徑框架墩在跨線橋中的應用[J].公路，2009（7）：99-101.