山區橋梁高立柱框架墩設計

邱建冬

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概述

西凌井樞紐為北二環高速起點與太佳高速T型交叉樞紐，位于太原市陽曲縣西凌井鄉掃峪村南，距離西凌井鄉約5 km。此樞紐主要服務于太佳高速公路與本項目的交通流轉換。該樞紐主線橋跨越凌井河，與凌井河角度斜交，交角較小。按照防洪評價標準，橋梁在主河槽范圍內進行布設，須滿足橋梁橋墩在主河槽斷面的投影面理論重合，以滿足防洪評價關于阻水比（橋墩投影寬度/河道寬度）不超過20%的要求。

2 框架墩設計

西凌井樞紐主線橋9、10、11號橋墩跨越凌井河，河道寬約30 m，按照常規進行布設橋孔，左右幅分別考慮橋墩布設，其橋墩蓋梁長度會減小，節約工程規模，但4個橋墩位于河道內，但其投影到主河道斷面的寬度為12 m，阻水比計算結果為40%，不滿足防洪評價要求，如圖1所示。

圖1 9、10、11號橋墩位置平面圖

為了滿足防洪要求，設計時以10號墩中墩為基準點，兩個邊墩布設在河道之外。將9號墩的左邊墩和11號墩的右邊墩，放置到10號墩中墩沿河流主斷面的投影位置當中，使得3個橋墩的中墩的投影面重合，投影到主河道斷面的寬度為4.2 m，阻水比計算結果為14%，滿足防洪評價要求，如圖2所示。圖1、圖2中從左至右依次為9號墩、10號墩、11號墩，陰影部分為凌井河區域。

圖2 9、10、11號橋墩位置優化后平面圖

9號墩～11號墩采用三柱式矩形墩，均為非對稱式框架墩，跨度分別為 （25+13）m、（15+24.5）m、（21+18.9）m，蓋梁寬3.4 m，高3 m，采用預應力鋼束，鋼束形狀如圖3所示。墩身尺寸為3×3 m，橋墩最大高度為39 m，具體尺寸如圖4所示。9號墩左幅上部設置9片T梁，右幅6片T梁；10號、11號墩左幅上部設置8片T梁，右幅6片T梁，蓋梁承受上部T梁的偏載作用。

圖3 10號橋墩蓋梁鋼束圖（單位：cm）

圖4 10號橋墩立面圖（單位：cm）

3 計算模型

根據橋墩所受上部荷載的偏載作用及三柱的跨度綜合考慮，本文選取10號墩作為計算對象，計算內容包括蓋梁、墩身的承載力、應力和裂縫等。橋墩采用大型有限元分析軟件Midas Civil 2020進行計算分析，建立主橋成橋階段和施工階段有限元模型，構建總體靜力分析計算模型，整體靜力計算模型如圖5所示。

圖5 10號墩計算模型

3.1 設計參數取值

蓋梁采用C50混凝土，墩身采用C40混凝土，承臺樁基采用C30混凝土，預應力鋼絞線采用Strand1860，彈性模量1.95×105MPa，容重78 kN/m3。

上部主梁恒載重按照14片T梁的支點反力施加，混凝土收縮徐變均按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）取值，考慮主梁C50混凝土10年的收縮徐變效應，基礎沉降按-5 mm考慮。

汽車活載取公路-I級，車道縱、橫向折減均按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[1]取值，其中沖擊系數u=0.3；計算體系升溫25℃，體系降溫-25℃。

將風荷載分W1風和W2風，其中W1風可與活載進行組合。W1風荷載：參考《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]取值，橋面處風速為25 m/s；W2風荷載：按照《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]取值，基本風速為32.6 m/s；風荷載與其他荷載組合按照《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）3.3.1條執行。

3.2 框架墩蓋梁驗算結果

蓋梁的驗算按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[3]執行，主梁為A類預應力結構，安全等級為一級。

運營狀態下，蓋梁在恒載狀態下上緣的最大壓應力為-9.8 MPa，位置位于中墩墩頂處，下緣的最大壓應力為-9.0 MPa，位置位于第二跨跨中處。蓋梁在車道活載狀態下主梁上緣的最大壓應力為-1.5 MPa，位置位于中墩墩頂處，主梁下緣的最大壓應力為-1.8 MPa，位置位于第二跨跨中處，均小于混凝土的最大壓應力-16.2 MPa，滿足規范要求。

蓋梁在正截面抗彎承載能力最大值為116400kN·m，小于其允許抗彎承載能力173151kN·m，位置位于第二跨跨中處；正截面抗彎承載能力最小值為-34 600 kN·m，小于其允許抗彎承載能力-86 576 kN·m，位置位于中墩墩頂處。

蓋梁加密區箍筋為10Φ12@100 mm，非加密區箍筋為10Φ12@150 mm，受拉鋼筋距截面邊緣距離as為60 mm，斜截面抗剪承載能力為18 532 kN，小于其允許抗剪承載能力27 797 kN，位置位于中墩處。

綜上所述，10號墩蓋梁的不同工況下上下緣應力、各截面抗彎承載力、各斜截面抗剪承載力均滿足現行規范要求，其余各項具體計算指標結果如表1所示。

表1 蓋梁計算結果表 MPa

4 框架墩墩身驗算結果

荷載組合按照《公路橋涵設計通用規范》[1]以及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[3]執行，風荷載與其他荷載組合時按照《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]3.3.1條執行，對10號墩在運營新狀態下，基本組合以及短期組合下該墩的受力情況及裂縫進行驗算。

4.1 承載力計算結果

橋墩采用C40混凝土，主筋為HRB400鋼筋直徑28 mm雙排布置。橋墩縱彎計算長度偏安全取實際長度的2倍，橫彎計算長度取實際長度的2倍。承載力驗算過程中未計入腹板側鋼筋的作用。本模型計算結果選取該橋墩的左墩、中墩、右墩的墩頂和墩底的6個截面位置，查看其基本組合下內力，結果表明10號墩橫向、縱向的軸向壓力均小于其偏向承載壓力，偏壓破壞形態均處于偏壓形態，安全系數分別不小于1.55、1.45，主墩偏壓承載力滿足規范要求。

4.2 裂縫驗算結果

本模型計算結果選取該橋墩的左墩、中墩、右墩的墩頂和墩底的6個截面位置，在頻遇值組合下縱、橫向下的內力，結果表明在橫向偏壓作用下，均滿足e0/h＜0.55，無需驗算裂縫寬度，滿足現行規范的要求；在縱向偏壓作用下最大寬度值為0.11 mm，滿足現行規范的要求。

5 結論

本文以太原北二環高速西凌井樞紐主線橋為依托，針對其9號～11號橋墩跨越凌井河，考慮到防洪評價的要求，采用了三柱式矩形墩大跨度框架梁進行設計，選取其10號墩，通過Midas橋梁有限元計算軟件對其蓋梁、墩身的承載力及強度均進行了驗算，確定該種橋墩的設計可行性，對類似高速的高墩設計具有一定的指導意義。