三柱式預(yù)應(yīng)力門架墩結(jié)構(gòu)分析與計算

張榮榮，劉軍鋒

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

隨著我國交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，相交道路在平面布置上發(fā)生沖突的情況也隨之增多，為滿足橋梁跨越要求，通常采用的措施有：采用大跨橋梁一孔跨越；在下方道路中央分隔帶設(shè)立橋墩；采用門架墩將墩柱放置于下方道路路幅以外。相較于采用大跨橋梁一孔跨越和中央分隔帶設(shè)墩而言，采用門架墩具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，同時可以減小施工期對下方道路的影響，確保運營期橋墩的安全性，因此近年來門架墩在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以襄陽繞城高速公路三柱式預(yù)應(yīng)力門架墩設(shè)計為例，對門架墩支承形式的選擇及配束方式進(jìn)行研究，最終為類似工程項目提出建議。

1 項目概況

襄陽繞城高速公路主線橋梁跨越地方一級公路，橋梁全長266 m，寬26 m，上部結(jié)構(gòu)為2×30 m預(yù)制小箱梁+2×58 m鋼混組合梁+3×30 m預(yù)制小箱梁。由于高速公路與一級公路交角較小，為滿足跨越要求，下部結(jié)構(gòu)在2#墩處設(shè)置門架墩，門架墩跨徑為8.2 m+14.5 m。

門架墩設(shè)計時首先應(yīng)初步擬定蓋梁及樁柱的結(jié)構(gòu)形式及尺寸，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，本橋門架墩蓋梁按A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，矩形截面，高2 m，順橋向?qū)?.5 m；對于樁柱結(jié)構(gòu)形式，市政工程多采用方形墩接承臺、樁基，本橋為保證橋墩結(jié)構(gòu)形式的一致性，門架墩采用圓形墩，樁柱直徑采用2.0 m+2.2 m。蓋梁采用C40混凝土，墩柱、樁基采用C30混凝土。

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 支承形式擬定

門架墩設(shè)計時墩柱與蓋梁之間可通過設(shè)置支座或者固結(jié)的方式進(jìn)行連接，考慮到橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載較大及活載引起的偏載效應(yīng)，為確保門架墩的縱、橫向穩(wěn)定性，結(jié)合連續(xù)梁的受力特性，將中墩與蓋梁進(jìn)行固結(jié)，邊墩可設(shè)置支座或固結(jié)。根據(jù)兩邊墩支承形式，考慮的方案主要有以下幾種：

(1)蓋梁與三個墩柱均采取固結(jié)；

(2)蓋梁與中墩及右側(cè)墩柱固結(jié)，左側(cè)墩柱支座鉸接支承；

(3)蓋梁與中墩及左側(cè)墩固結(jié)，右側(cè)墩柱支座鉸接支承；

(4)蓋梁與中墩固結(jié)，兩側(cè)墩柱支座鉸接支承。

2.2 結(jié)構(gòu)有限元模型及計算參數(shù)取值

采用橋梁博士V3.6分別建立以上四種方案的有限元計算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

(1)樁-土作用模擬

在對門架墩進(jìn)行計算時，由于蓋梁、墩柱與樁基相互之間為固結(jié)聯(lián)系，三者的內(nèi)力及位移相互影響，往常的有限元計算常常對柱底進(jìn)行固結(jié)來處理樁基，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時會給計算結(jié)果帶來一定的偏差。本橋2#橋墩處地表以下0～17 m為粘土層，其下為中風(fēng)化灰?guī)r，樁基嵌入中風(fēng)化灰?guī)r內(nèi)，為保證結(jié)構(gòu)計算的精確度，結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)考慮樁基的剛度影響，對樁-土之間的相互作用進(jìn)行模擬。樁-土作用效應(yīng)模擬的主要方法有：①不建立樁基的結(jié)構(gòu)單元，通過m法計算出樁基的等效剛度施加于墩柱底部；②建立蓋梁、墩柱、樁基的整體化結(jié)構(gòu)模型，通過m法計算出地基的彈性系數(shù)后等效為彈性約束模擬地基土的水平抗力，通過施加節(jié)點作用力模擬樁基的摩阻力。本文采用第二種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，對粘土層中樁基通過m法計算出地基的彈性系數(shù)進(jìn)行模擬，由于中風(fēng)化灰?guī)r處樁身已不承受彎矩，在進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r處對樁底進(jìn)行固結(jié)。

(2)荷載參數(shù)選取

梁體自重及二期恒載根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)直接施加于蓋梁頂支座處。

上部結(jié)構(gòu)通過設(shè)置自重為0的虛擬單元進(jìn)行模擬，單元尺寸按端橫梁的高度、寬度取值，橋面虛擬單元與蓋梁單元采用主從約束進(jìn)行連接，汽車荷載通過在橋面單元上橫向加載進(jìn)行計算，橫向車輪荷載=沖擊系數(shù)×[(小樁號側(cè)橋孔長度+大樁號側(cè)橋孔長度)×均布荷載/2+集中荷載(按兩側(cè)較大跨徑計)×1.2]。

2.3 蓋梁、墩柱受力分析

通過計算可得，恒載及活載作用下蓋梁及墩身彎矩如表1、表2所示。

表1 恒載及活載作用下蓋梁彎矩/KN·m

表2 恒載及活載作用下墩身彎矩/KN·m

通過對表1、表2中計算結(jié)果進(jìn)行對比分析可以得出以下結(jié)論。

(1)蓋梁彎矩主要由2#跨跨中及2#墩墩頂截面控制，方案三、方案四較方案一、方案二蓋梁上緣彎矩相近，但下緣彎矩承受的彎矩要大出約25%，考慮到蓋梁截面尺寸較大且為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，可通過適當(dāng)調(diào)整鋼束、鋼筋數(shù)量來滿足承載力及應(yīng)力指標(biāo)要求。

(2)方案一、方案二墩身承受的彎矩非常大，需對其承載力及裂縫寬度進(jìn)行驗算。通過計算可得方案一、方案二右墩墩身承載力在恒、活載作用下富余量不足5%，裂縫寬度分別達(dá)到0.248 mm、0.22 mm，不滿足規(guī)范裂縫寬度0.2 mm的限值要求。考慮到墩柱為主要的承重結(jié)構(gòu)且可能會承受車輛撞擊、地震等偶然荷載的作用，應(yīng)優(yōu)先考慮其安全性，因此排除采用方案一、方案二。

(3)方案四與方案三蓋梁及墩身彎矩較為接近，但方案三有兩個墩柱固結(jié)，門架墩整體的穩(wěn)定性較好，采用方案三對本橋門架墩進(jìn)行設(shè)計。

2.3 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計

根據(jù)有限元模型按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對蓋梁進(jìn)行配束，綜合考慮蓋梁承載能力極限狀態(tài)下的承載力及正常使用狀態(tài)下的應(yīng)力指標(biāo)，最終確定蓋梁共布置19根17-Φs15.2低松弛高強鋼絞線，鋼束錨下張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖1所示。

圖1 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖

由于蓋梁受力分為蓋梁施工、梁體吊裝、橋面鋪裝、成橋運營等多個階段，施工過程中各階段所受的外部荷載也有所不同，對于本橋預(yù)應(yīng)力蓋梁而言，若在蓋梁澆筑完成后張拉全部預(yù)應(yīng)力鋼束，該階段中墩墩頂處蓋梁上緣壓應(yīng)力為21.5 MPa，2#跨跨中上緣拉應(yīng)力為3.6 MPa，下緣壓應(yīng)力23.0 MPa，不滿足混凝土抗壓及抗裂的要求，因此預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)結(jié)合受力情況進(jìn)行分批張拉，確保施工各階段蓋梁上下緣應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過反復(fù)核算，最終確定蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉順序按N4→N2→N3→架梁→N1→N5→橋面系進(jìn)行施工，橋梁施工過程中蓋梁未出現(xiàn)裂縫。

3 結(jié) 論

(1)門架墩作為一個框架結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)對蓋梁的受力影響較大，在計算分析時應(yīng)將蓋梁、墩柱、樁基進(jìn)行整體建模。

(2)對于三柱式門架墩，蓋梁與墩柱固結(jié)處墩身截面所受的彎矩非常大，往往對整個門架墩的設(shè)計起控制作用，可通過采用支座支承的方式進(jìn)行彎矩釋放，避免墩身裂縫寬度過大，設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)各支承形式下蓋梁、墩柱的受力情況進(jìn)行比選。

(3)蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序應(yīng)充分考慮上部結(jié)構(gòu)的施工工序，必要的情況下分批次張拉，避免蓋梁出現(xiàn)裂縫或者受壓破壞。