框架墩結構優化設計方案比選

胡 文

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司廣州分公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國橋梁建設的發展，橋梁結構設計更多的是要將經濟與美觀相結合，一座橋梁建筑設計再漂亮，若它的造價比同類一般橋梁高出許多，其設計也是失敗的[1]。如在大渡河龔嘴電站大橋的設計中，主體結構采用中承式拱橋，而拱圈是采用鋼筋混凝土還是鋼管混凝土就成了一個問題。由于該橋位于偏遠大山之中的大渡河上，砂、石材料較為豐富，可就地取材，而鋼管拱不僅造價高昂，且鋼管山間運送較難，故經過比選，拱圈采用了更為經濟的變截面鋼筋混凝土。這樣的設計建設問題多有發生，重要的是設計者能否因地制宜地進行科學論證，優化比選。本文以珠海某橋梁下部框架墩為研究對象，通過對框架墩的優化設計及經濟比選，得出了更優方案[2-4]。

1 框架墩的優化方案與計算驗證

1.1 工程概況

項目位于珠海歡樂海岸規劃地塊，橋梁正下方為康景路下穿隧道，橋梁邊界包括港口河跨河橋、上下橋梁的兩條坡道以及橋頭兩側連接廣場的梯道。橋梁結構為人行橋，兼顧電瓶車通行。港口河為VII級航道，水面寬約50m，橋面寬25m，橋梁上部采用20m+25m+20m預應力混凝土小箱梁，橫向采用6片梁，邊梁寬2.85m，中梁寬2.4m。下部結構采用樁柱接蓋梁。

1.2 框架墩優化方案

原方案蓋梁截面采用2.2m（高）×2m（寬），其跨徑為22.2m，采用預應力混凝土結構，配置兩排4根Φs15.2鋼絞線。柱徑1.6m，樁徑1.8m。

優化后蓋梁采用T型截面，蓋梁高1.2m，斜撐0.8m×0.8m，橫 撐1.2m×0.9m，柱 徑1.2m，樁 徑1.4m，見圖1。

圖1 優化后橋墩構造圖（單位：cm）

1.3 計算驗證

本文采用Midas有限元分析軟件，根據橋梁的實際施工過程劃分施工階段，荷載組合按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）第4.1.5～4.1.6條進行分配，求得結構在施工階段和運營階段時的內力與應力，驗證結構是否滿足設計規范要求。優化前后結構模型見圖2。

圖2 優化前后結構模型

原方案蓋梁最大彎矩出現在跨中位置，最大彎矩為34822kN?m，墩柱最大彎矩為4157kN?m。優化后方案蓋梁最大彎矩出現在蓋梁與斜撐剛接位置，最大彎矩為2875kN?m，墩柱最大彎矩為1700kN?m。通過對比發現，優化后蓋梁彎矩約為原方案的1/12，而橋墩彎矩約為原方案的1/2.45[5-7]。承載能力極限狀態彎矩圖見圖3。提取控制截面位置內力及應力，結果見表1~表4。

表1 原方案蓋梁驗算結果

表4 優化后墩柱、樁基驗算結果

圖3 承載能力極限狀態彎矩圖（單位：kN?m）

偏心-Mymax表示按偏心受彎構件考慮，彎矩最大時所對應的軸力情況；軸心-Fxmin表示按軸心受壓構件考慮，軸力取最小的情況；偏心-Fxmin(My)表示按偏心受壓構件考慮，軸力最小所對應的彎矩情況；偏心-Mymin表示按偏心受壓構件考慮，彎矩最小所對應的軸力情況。rNd表示結構的重要性系數×作用效應的組合設計最大值，Nn表示構件承載力設計值。

表2 原方案墩柱、樁基驗算結果

表3 優化后蓋梁驗算結果

由表1~表4可知，蓋梁、橋墩、樁基驗算結果均滿足設計規范要求。

2 方案對比

2.1 經濟情況比選

根據計算驗證，兩個方案均是合理的，從經濟角度進行比選，詳細列出下部結構工程量及造價表[8-10]，見表5。采用桁架式橋墩可節省造價55.4752萬元。

表5 計算全橋下部橋墩工程量、造價比較表

2.2 其他比選

（1）本橋蓋梁跨徑22.2m，跨徑較大，需采用預應力混凝土結構，優化后大大減小了蓋梁結構尺寸，取消預應力鋼束，降低了施工難度，避免了運營期間鋼束的養護問題。

（2）優化后方案樁柱主要承受豎向力，彎矩較小。經過計算驗證，樁柱直徑可由原方案1.8~1.6m優化為1.4~1.2m。阻水比由7.0%降至5.2%。

3 結束語

本文結合珠海市某橋梁下部結構框架墩的結構形式，通過軟件計算及經濟比選分析不同形式框架墩的合理性，得出以下結論：

（1）對于兩柱蓋梁且其下方凈空不受限時，可采用桁架式結構優化設計，降低造價，避免預應力結構的使用，結構輕盈美觀。

（2）當阻水比受限時，采用桁架式能減少橋墩截面，一定程度上降低阻水比。