雙層橋門(mén)式墩結(jié)構(gòu)受力分析

周偉光

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,廣東 廣州 510030）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，土地資源越來(lái)越稀缺，橋梁下方空間利用受凈空、墩柱設(shè)置等限制，往往不能充分利用。雙層橋梁方案可充分利用橋下空間、節(jié)約用地資源，實(shí)現(xiàn)雙層交通功能，更好地滿足交通功能需求，具有良好的應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)快速施工，上部結(jié)構(gòu)一般采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，因此雙層橋下部結(jié)構(gòu)采用雙層門(mén)式墩結(jié)構(gòu)，設(shè)置雙層蓋梁，實(shí)現(xiàn)上下層放置梁片。區(qū)別于常規(guī)橋墩蓋梁，雙層橋門(mén)式墩結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜，上下層橋梁施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力存在影響，需對(duì)其受力情況充分地分析研究以保證結(jié)構(gòu)安全。目前針對(duì)雙層橋梁結(jié)構(gòu)，已有研究成果從不同角度對(duì)其進(jìn)行了研究分析[1-5]。

1 工程概況

某地兩工程項(xiàng)目線位均位于既有道路上，兩個(gè)項(xiàng)目相互影響和制約，涉及設(shè)計(jì)方案、征地拆遷、勘察等各方面協(xié)調(diào)。如兩項(xiàng)目線位采用平面平行布置，用地將大幅增加，且涉及大量征拆。為節(jié)約用地減少征拆，其中一段采用共走廊設(shè)計(jì)，橋梁結(jié)構(gòu)采用雙層橋方案。為避免現(xiàn)澆施工侵占既有道路，上下層橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用30 m 跨度左右預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)均為雙層門(mén)式墩。橋墩采用方柱，蓋梁的高度、寬度根據(jù)具體的受力情況、上部梁高及抗震措施要求確定。上下層蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土倒T 形斷面，現(xiàn)澆施工。雙層橋效果圖如圖1 所示，結(jié)構(gòu)典型斷面如圖2 所示。

圖1 雙層橋效果圖

圖2 雙層橋典型斷面示意

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 單、雙層門(mén)式墩受力對(duì)比分析

常規(guī)單層蓋梁作為受彎構(gòu)件主要承受集中荷載，為分析增設(shè)一層蓋梁后對(duì)下部結(jié)構(gòu)受力的影響，分別建立單、雙層門(mén)式墩結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行分析。計(jì)算分析模型中預(yù)應(yīng)力混凝土倒T 形蓋梁中間頂板凸出塊寬1.5 m，總寬3.4 m，高3.1 m，中墩設(shè)置局部倒角加高1 m，上下層蓋梁均設(shè)置四排鋼束，鋼束規(guī)格為s 15-13~15。邊墩上層為邊長(zhǎng)1.8 m 方柱，下層為邊長(zhǎng)2.2 m 方柱，接單根直徑2.5 m 樁基；中墩上層為2.2 m 方柱，下層墩柱長(zhǎng)3.4 m，寬3.0 m，中墩承臺(tái)下設(shè)兩根直徑2.8 m 樁基。上部結(jié)構(gòu)恒載傳遞到支座的反力根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果確定，公路I 級(jí)荷載按車(chē)輪位置按移動(dòng)荷載輸入，溫度荷載按整體升降溫25 ℃計(jì)算，沉降荷載按支座沉降5 mm 計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，單層上蓋梁最大彎矩為79 146 kN·m，增加一層蓋梁后上蓋梁最大彎矩為80 272 kN·m，對(duì)比單層增加1.4%。因墩柱蓋梁剛度較大，增設(shè)下層蓋梁對(duì)上層蓋梁受力影響可忽略，只需對(duì)應(yīng)增加墩柱及樁基尺寸。計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 門(mén)式墩計(jì)算模型

2.2 上下層蓋梁不同施工順序受力分析

因上下層分屬不同項(xiàng)目，受項(xiàng)目進(jìn)展影響實(shí)施順序存在不一致，需分別分析上下層不同施工順序?qū)﹂T(mén)式墩結(jié)構(gòu)受力能否滿足要求。建立多個(gè)模型，上層及下層活載分別定義，上（下）層蓋梁計(jì)算時(shí)，將下（上）層活載對(duì)上層蓋梁產(chǎn)生最不利荷載的加載位置導(dǎo)入上（下）層模型，然后進(jìn)行上（下）層蓋梁的配束計(jì)算，計(jì)算墩柱時(shí)，思路相同。主要工序如表1 所示。

表1 上下層橋梁不同施工順序主要工序

根據(jù)兩種不同施工順序提取內(nèi)力包絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，蓋梁按A 類(lèi)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，上層蓋梁最不利組合彎矩為92 678 kN·m，承載能力為131 298 kN·m，最不利組合剪力為15 772 kN，承載能力為23 859 kN；下層蓋梁最不利組合彎矩為98 261.4 kN·m，承載能力為116 672.2 kN·m，最不利組合剪力為13 587.2 kN，承載能力為28 451.1 kN；上下層蓋梁正截面抗裂計(jì)算均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，斜截面抗裂、持久狀況和短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算均滿足規(guī)范[6]要求。

對(duì)于墩柱受力，相比常規(guī)墩柱，增設(shè)下層蓋梁后墩柱計(jì)算長(zhǎng)度及約束條件變化，控制截面需考慮上層墩頂、上層墩頂、下層墩頂、下層墩底，墩柱及樁基承載能力計(jì)算均滿足要求，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，中墩因軸力較大，控制組合均為軸力最大組合，邊墩中部截面因增設(shè)下層蓋梁彎矩增加較大受力變?yōu)閺澗亟M合控制。增設(shè)下層蓋梁后的E2 地震作用計(jì)算結(jié)果如表3 所示，E2 作用下最小安全系數(shù)1.18，滿足規(guī)范要求。

表2 墩柱及樁基承載能力計(jì)算結(jié)果

表3 E2 地震作用下墩身承載能力計(jì)算結(jié)果

2.3 下層墩柱預(yù)應(yīng)力管道開(kāi)孔局部受力分析

對(duì)于常規(guī)單層橋梁蓋梁，預(yù)應(yīng)力束開(kāi)孔均在蓋梁結(jié)構(gòu)中，對(duì)于雙層橋，下層蓋梁鋼束管道需穿過(guò)橋墩，將對(duì)墩柱截面形成一定孔洞，需對(duì)開(kāi)孔處進(jìn)行受力分析，實(shí)體計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 局部孔洞實(shí)體計(jì)算模型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在最不利荷載組合下開(kāi)孔部位局部壓應(yīng)力4.7 MPa，部分點(diǎn)位5.0 MPa，墩柱C40 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為18.4 MPa，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

雙層橋門(mén)式墩結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力復(fù)雜，該文結(jié)合有限元計(jì)算分析了上下層橋梁實(shí)施順序、增設(shè)下層蓋梁對(duì)上層蓋梁的影響以及下層鋼束孔洞對(duì)墩柱受力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，增設(shè)下層蓋梁對(duì)上層蓋梁受力影響可忽略，只需對(duì)應(yīng)增加墩柱及樁基尺寸。采用合適構(gòu)造尺寸及配束情況下，不同上下層橋梁實(shí)施順序及鋼束開(kāi)孔處受力均能滿足要求，文中分析成果可為類(lèi)似工程提供參考。