地鐵高架區間異型橋墩設計

楊 林，饒浩淼

（1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

0 引言

隨著城市的快速發展，土地資源日趨緊張，同時為了避開城市地下復雜的管線及現有構筑物，城市立交、高架橋的下部結構出現了很多異型橋墩，主要包括Y 型墩、V 型墩、X 型墩[1-3]和彈弓型墩。

（1）Y 型墩是獨柱墩的一種，其底面采用圓端形或矩形截面形式，上部柱墩采用分叉的Y 形式。Y型墩占用橋下空間小，受力性能良好，抗傾覆能力好。Y 型墩運用在渝遂高速公路黃木溝高架橋。

（2）V 型墩是指下部由基礎頂面直接分叉的橋墩, 根據分叉方向分為橫向V 型墩和縱向V 型墩，橫向V 型墩和Y 型墩類似，縱向V 型墩常與主梁固結，應用在很多連續剛構橋梁中。

（3）X 型墩是指底部與上部分叉，在中間相交的橋墩形式，常用在跨河橋，橋下的空間小，有助于水流的通行，其受力特性和Y 型墩相似，運用在較多橋梁上。

（4）彈弓型墩是指在Y 型墩蓋梁上設置上層墩柱及蓋梁，支撐上層橋梁，橋墩整體外形呈彈弓形，在不增加占地的情況下解決立交橋梁的支撐問題。深圳地鐵6號線出入段線段部分橋墩采用了彈弓型墩。

本文選取比較典型且結構復雜的彈弓型墩進行設計研究。

1 基本構造

橋墩由下部墩柱、下部蓋梁、上部墩柱和上部蓋梁組成。墩柱、蓋梁及支承墊石均采用C50 混凝土，橋墩構造如圖1 所示。

圖1 橋墩構造圖（單位：mm）

墩柱采用圓端形矩形截面，橫橋向4.0 m，縱橋向2.8 m；蓋梁采用變高度矩形截面，寬3.0 m，高2.5～3.4 m；立柱采用矩形截面，橫橋向1.8 m，縱橋向2.4 m，立柱底端內側增加1.2 m 的倒角；墩帽橫橋向寬5.7 m，縱橋向與立柱同寬。橫向共四條線路，下部橫梁上布置兩條主線，上部橫梁上左右各布置一條出入段線。活載為采用地鐵A 型車，車輛滿載荷載按軸重160 kN。

2 設計要點

相對于常規橋墩，彈弓型墩的上層橋墩為開口結構，變形較大，鐵路橋梁對結構剛度要求高，需要對橋墩的剛度及變形引起的主梁相對轉角進行控制；橋墩構件交點較多，應力集中點較多，需要進行實體分析判斷局部應力是否超限；下蓋梁同時承受下層主梁荷載和上層橋墩、主梁荷載，受力復雜，需重點計算分析，加強構造設計。

3 剛度計算

3.1 縱向線剛度

為了增大橋墩剛度，在凈空受限、上部不能做系梁的情況下，在上墩柱下部增設倒角，增加上墩柱與下蓋梁的連接，從而增加整墩剛度。縱向線剛度計算詳見表1。

表1 縱向線剛度計算結果

滿足最小限值360 kN/cm 的限值。

3.2 聯動位移

由于此橋墩上部為開口結構，相對比較柔弱，不僅要對縱向線剛度進行控制，對相鄰橋墩的聯動位移剛度也要控制，考慮三種相對位移最大的活載布置情況，計算相鄰橋墩的聯動位移[4]，從而得出相對轉角（見表2）。

表2 橫向剛度計算結果

最大相對轉角為0.35‰，滿足規范要求。

4 實體分析

由于橋墩構造復雜，桿系單元不能完全體現細部受力特征，故需建立整墩實體模型進行分析，并按實際荷載情況進行加載，重點關注下部墩柱與下部橫梁交接處、下部橫梁與上部墩柱交接處及上部墩柱與上部蓋梁交接處的應力。

4.1 主力組合分析結果

主力組合作用下橋墩主要交接點處的正應力和主應力結果如圖2～圖5 所示。

圖2 立柱與橫梁交接處主拉應力圖（單位：MP a）

圖3 墩柱與橫梁交接處主拉應力圖（單位：MP a）

圖4 立柱與橫梁交接處主壓應力圖（單位：MP a）

圖5 墩柱與橫梁交接處主壓應力圖（單位：MP a）

主力組合工況下，橫向正應力最大值出現在立柱與蓋梁交接處，可達到-8 MPa，立柱與墩柱出現拉應力，最大為1.4 MPa。縱向正應力比較小，大部分區域應力值在-0.9～1.2 MPa。豎向正應力在大部分區域為負值，蓋梁中部以及端部出現拉應力。大部分區域主拉應力值在-1.1～1.9 MPa，蓋梁端部主拉應力超過3 MPa。最大的主壓應力有-10.6 MPa，出現在蓋梁端部。

4.2 主力+ 附加力組合分析結果

主力+ 附加力組合作用下橋墩主要交接點處的正應力和主應力結果如圖6～圖9 所示。

圖6 立柱與橫梁交接處主拉應力圖（單位：MP a）

圖7 墩柱與橫梁交接處主拉應力圖（單位：MP a）

圖8 立柱與橫梁交接處主壓應力圖（單位：MP a）

圖9 墩柱與橫梁交接處主壓應力圖（單位：MP a）

主力+ 附加力組合工況下，橫向正應力最大值出現在立柱與蓋梁交接處，可達到-9.8 MPa，立柱與墩柱出現拉應力，最大為1.6 MPa。縱向正應力比較小，大部分區域應力值在-3.1～1.4 MPa。豎向正應力在大部分區域為負值，蓋梁中部以及端部出現拉應力，可達到1.8 MPa。大部分區域主拉應力值在-0.9～2.8 MPa，蓋梁端部主拉應力超過3 MPa。最大的主壓應力有-12.1 MPa，出現在蓋梁端部。

通過實體分析可知，蓋梁端部主拉應力較大，故在蓋梁端部增加斜向加強筋，與上下層主筋焊接在一起，如圖10 所示。

圖10 下層蓋梁端部加強斜筋

5 結語

本文選取地鐵高架區間彈弓型墩進行設計，對上下墩柱、上下蓋梁進行設計分析，并對整墩進行實體分析，結論如下：

（1）橋墩上部為開口結構，不僅要關注單墩縱向線剛度，還要關注相鄰橋墩之間的由于相對位移產生的轉角。在上部凈空受限無法做系梁的情況下，在上墩柱下部增設倒角，增加上下部結構的連接是有效的。

（2）上墩柱與下蓋梁之間的鋼筋需相互交疊，并滿足錨固長度，以形成完整的受力體系。

（3）由實體分析可得出，局部倒角及蓋梁端部存在應力集中，需針對性地加強普通鋼筋配置，防止產生裂縫。