裝配式橋梁超高變截面空心薄壁墩設(shè)計(jì)

余武軍 何振宇

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056）

山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中，裝配式橋梁相對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋具有經(jīng)濟(jì)、施工簡(jiǎn)便、工期短、施工好控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中70 m以上高墩裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越多。某橋跨徑布置為2×30 m＋3×40 m＋3×40 m＋3×30 m裝配式T梁，主槽40 m跨有2個(gè)墩墩高都在89 m左右，采用橫向等寬，縱向1∶100變截面空心薄壁墩，壁厚60 c m。

通過(guò)施工階段分析，先進(jìn)行橋墩的屈曲穩(wěn)定性分析［1］，如失穩(wěn)，則需增大截面尺寸，如不失穩(wěn)，則按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，得到配筋結(jié)果。

成橋階段分析對(duì)成橋階段橋墩持久狀況承載力極限狀態(tài)強(qiáng)度及持久狀況正常使用極限狀態(tài)（短期組合、長(zhǎng)期組合）進(jìn)行計(jì)算（裂縫寬度計(jì)算和墩頂位移計(jì)算等），最后得到配筋結(jié)果。

1 變截面空心薄壁墩施工階段計(jì)算

1.1 施工階段橋墩最不利受力工況

施工時(shí)架橋機(jī)工順一般為：喂梁→吊梁→送梁→（橫移）放梁→橋面縱移。隨著架橋機(jī)的工作進(jìn)行，橋墩的受力模式最不利的情況主要有以下2種，見(jiàn)圖1。

圖1 橋墩受力模式圖

1.1.1 計(jì)算工況A

模式A選取的是架橋機(jī)吊梁完畢，準(zhǔn)備落本橋墩上第一片T梁時(shí)的工況，墩頂為自由狀態(tài)。

橋墩受力為：

豎向力。架橋機(jī)前支點(diǎn)反力N（偏心作用，架橋機(jī)自重及一片T梁自重引起的前支點(diǎn)反力）。

水平力。橋墩（包括帽梁）順橋向風(fēng)荷載q。

溫度荷載。橋墩前后截面溫差5℃，對(duì)墩身內(nèi)力影響較小，主要考慮引起的墩身變位導(dǎo)致的豎向力作用變化。

約束：墩底固結(jié)，墩頂自由。

1.1.2 計(jì)算工況B

此模式下，為求得上部結(jié)構(gòu)傳遞到墩頂?shù)呢Q向力最大偏心彎矩作用，選取橋墩一側(cè)的T梁全部架設(shè)完畢，同時(shí)已經(jīng)起吊一片梁準(zhǔn)備運(yùn)送到架設(shè)完的這一孔的工況，此時(shí)墩頂后退方向一跨的T梁已經(jīng)采取臨時(shí)焊接措施固定，可以認(rèn)為基本形成門架體系，墩頂在水平風(fēng)力作用下橫向位移較小，比較精確求解墩身內(nèi)力可以在墩頂加個(gè)水平彈性支撐，彈性支撐剛度可利用模式A中風(fēng)荷載作用的計(jì)算結(jié)果；或者近似地認(rèn)為墩頂鉸接，兩者計(jì)算結(jié)果相差不大。

橋墩受力為：

豎向力。架橋機(jī)前支點(diǎn)反力N（偏心作用，架橋機(jī)自重及一片T梁自重引起的前支點(diǎn)反力）、已經(jīng)架設(shè)完的一孔T梁自重反力（偏心作用）。

水平力。橋墩（包括帽梁）順橋向風(fēng)荷載q。溫度荷載。橋墩前后截面溫差5℃。

約束。墩底固結(jié)，墩頂彈性支撐或鉸接。

1.2 施工階段計(jì)算方法

通過(guò)計(jì)算，最不利工況為：架設(shè)完一孔T梁，正準(zhǔn)備施工另一孔（下一跨的1片T梁已運(yùn)至此孔）。本文運(yùn)用2種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

（1）運(yùn)用MIDAS Civil建立不同墩高情況下的模型，考慮幾何非線性，得到墩底截面內(nèi)力，然后進(jìn)行荷載組合，得到的e0＝Md／Nd，即為增大后的偏心矩，按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。

（2）結(jié)合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《公預(yù)規(guī)》）［2］和以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取最不利工況下的構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度［3］為0.7l0（一端固定，一端鉸接）、2l0（一端固定，一端自由），根據(jù)《公預(yù)規(guī)》相關(guān)公式得到偏心距增大系數(shù)，按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。

1.3 穩(wěn)定性分析

運(yùn)用MIDAS Civil進(jìn)行了屈曲分析，理論上應(yīng)分別計(jì)算在計(jì)算工況A和計(jì)算工況B的穩(wěn)定系數(shù)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，不計(jì)算工況A，而偏保守地計(jì)算工況B時(shí)，將約束設(shè)置為墩底固結(jié)，墩頂自由進(jìn)行計(jì)算。

荷載包括：風(fēng)荷載、一孔5片T梁＋運(yùn)送的一片T梁自重、溫度荷載、架橋機(jī)自重、橋墩及帽梁自重。以上荷載均考慮最大偏心時(shí)候的情況。

一孔5片T梁＋運(yùn)送的一片T梁引起的橋墩反力為：

5片T梁架設(shè)完畢引起橋墩反力（50.05×2＋52.32×3）／2×26＝3 341.78 k N，偏心距0.6 m；1片T梁運(yùn)送到橋墩處，反力為52.32×26＝1 361.36 k N，架橋機(jī)偏心距0.7 m。

單片T梁重52.32×26＝1 360.32 k N，采用西安JQJ-2 A型架橋機(jī)，組裝后重量224 t，在橋墩處反力為224×10／2＝1 120 k N，偏心距0.7 m。

帽梁自重。1 800 k N。

在得到不同墩高相應(yīng)截面尺寸下的一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下：

81 m，6.5 m×（2.8～4.42）m：λ＝17.1。90 m，6.5 m×（2.8～4.6）m：λ＝14.3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和以往的理論分析，穩(wěn)定性系數(shù)可滿足穩(wěn)定性要求。

1.4 強(qiáng)度及配筋

結(jié)合《公預(yù)規(guī)》和以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取最不利工況下的構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度為0.7l0（一端固定，一端鉸接）和2l0（一端固定，一端自由）分別進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《公預(yù)規(guī)》相關(guān)公式得到偏心距增大系數(shù)，按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。

1.4.1 墩高81 m

先擬定截面為6.5 m×（2.8～4.42）m，壁厚0.6 m。

工況。架設(shè)完一孔T梁，正準(zhǔn)備施工另一孔（下一跨的1片T梁已運(yùn)至此孔）。

荷載。5片T架設(shè)完引起橋墩反力（50.05×2＋52.32×3）／2×26＝3 341.78 k N，偏心距0.6 m；1片T運(yùn)送到橋墩處，反力為52.32×26＝1 361.36 k N，架橋機(jī)偏心距0.7 m。

彎矩。3 341.78×0.6＋1 361.36×0.7＝2 958.02 k N·m。

采用西安JQJ-2 A型架橋機(jī)，組裝后重量2 240 k N，在橋墩處反力為224×10／2＝1 120 k N，偏心距0.7 m，彎矩1 120×0.7＝784 k N·m。

帽梁自重。N0＝1 800 k N。

墩身自重。N1＝23 141.8 k N。

計(jì)算得到總的荷載效應(yīng)為：

墩身及帽梁風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩。M1＝25 555.1 k N·m。

墩頂力產(chǎn)生的彎矩。M2＝2 958.02＋784＝3 742.02 k N·m。

彎矩設(shè)計(jì)組合值。Md＝0.7×1.1 M1＋0.8×1.4×M2＝23 868.5 k N·m。

橋墩自重。N1＝23 141.8＋1 800＝24 941.8 k N。

墩頂豎向力。N2＝3 341.78＋1 361.36＋1 120＝5 823.14 k N。

軸力設(shè)計(jì)組合值。N＝1.2×N1＋0.8×1.4×N2＝36 452.1 k N。

e0＝Md／Nd＝0.655 m。

計(jì)算長(zhǎng)度取分別取0.7l0＝56.7 m，2l0＝162 m。

偏心距增大系數(shù)。4.030 947。

受壓區(qū)鋼筋面積243.28 c m2，受拉區(qū)鋼筋面積364.920 0 c m2，若采用直徑28 mm鋼筋，上緣40根，下緣60根，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。

1.4.2 墩高90 m

先擬定截面為6.5 m×（2.8～4.6）m。按照同樣方法計(jì)算結(jié)果如下：受壓區(qū)鋼筋面積247.6 c m2，受拉區(qū)鋼筋面積371.4 c m2，若采用直徑28 mm鋼筋，上緣41根，下緣61根，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。若采用對(duì)稱配筋上下緣鋼筋面積為325.152 3 c m2，均采用53根直徑28 mm鋼筋。

2 變截面空心薄壁墩成橋階段計(jì)算

主要計(jì)算成橋運(yùn)營(yíng)階段中的持久狀況承載力極限狀態(tài)和持久狀況正常使用極限狀態(tài)。持久狀況承載力極限狀態(tài)計(jì)算包括成橋階段橋墩強(qiáng)度計(jì)算；持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算主要為裂縫寬度計(jì)算。

圖2 全橋模型圖

結(jié)構(gòu)分析采用空間程序MIDAS CIVIL6.7.1。墩高90 m，均采用固結(jié)，用剛性連接模擬，模型見(jiàn)圖2。根據(jù)《公預(yù)規(guī)》，取以上荷載最不利組合值進(jìn)行配筋計(jì)算，偏心受壓構(gòu)件配筋時(shí)，由于成橋階段墩頂已經(jīng)有很大的約束，近似將橋墩墩頂鉸接，這樣計(jì)算長(zhǎng)度取0.7 L。

2.1 運(yùn)營(yíng)階段中持久狀況承載力極限狀態(tài)計(jì)算

運(yùn)營(yíng)階段承載力極限狀態(tài)計(jì)算見(jiàn)表1。單項(xiàng)內(nèi)力計(jì)算最不利結(jié)果見(jiàn)表2。由此可見(jiàn)風(fēng)力是影響高墩內(nèi)力的關(guān)鍵因素；其次，按影響大小先后分別為橋臺(tái)基礎(chǔ)沉降、制動(dòng)力、整體溫度效應(yīng)、車道荷載。所以沉降、溫度作用在高墩計(jì)算中影響很大，不能忽視。

表1 運(yùn)營(yíng)階段承載力極限狀態(tài)計(jì)算表

表2 單項(xiàng)最不利內(nèi)力表（1-2，59-60單元分別表示1，2號(hào)橋墩墩底、墩頂截面）

2.2 運(yùn)營(yíng)階段持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

1-2號(hào)單元表示1，2號(hào)橋墩墩底單元，59-60號(hào)單元表示1，2號(hào)橋墩墩頂單元。根據(jù)試算，需要加大截面尺寸，截面尺寸采用7.0 m×（2.9～（4.3～4.7））m，壁厚0.6 m，雙側(cè)截面配筋均按裂縫控制配筋，同時(shí)達(dá)到《公預(yù)規(guī)》中構(gòu)造配筋最小含筋率的要求。其中90 m墩高實(shí)際布置時(shí)，采用上下2層，間距14 c m布置，上層鋼筋50φ32，下層34φ20，合計(jì)鋼筋面積為508.938 c m；單側(cè)配筋率為0.389%。最大裂縫發(fā)生在使用狀態(tài)短期組合下，59號(hào)單元墩頂截面計(jì)算最大裂縫寬度為0.179 mm，不超過(guò)0.2 mm，滿足規(guī)范的要求。裂縫寬度計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 裂縫寬度計(jì)算表

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析得出，高墩受力時(shí)，裝配式橋梁高墩力學(xué)上對(duì)溫度、收縮徐變、基礎(chǔ)變位、風(fēng)力、汽車制動(dòng)力比較敏感，設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行全方位計(jì)算，從力學(xué)上考慮設(shè)計(jì)措施，尤其不能忽略高墩裂縫控制計(jì)算，有時(shí)裂縫控制整個(gè)高墩設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)加強(qiáng)對(duì)橋墩的抗裂驗(yàn)算配筋。設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加橋墩及橋臺(tái)基底的嵌入深度，盡量減少基礎(chǔ)變位，同時(shí)施工中避免對(duì)基礎(chǔ)的擾動(dòng)，以防基礎(chǔ)變位。

如果有條件的話，可以對(duì)高墩運(yùn)用大型通用程序進(jìn)行局部分析計(jì)算，確保高墩設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性。同時(shí)在施工時(shí)應(yīng)避免在高溫施工，避免基礎(chǔ)變位影響。

［1］ 程 宇，李玲芳，孫躍中.橋梁高墩穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算探討［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012（8）：104-107.

［2］ JTGD62－2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 齊宏學(xué).裝配式梁橋高墩計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)探討［J］.公路，2011（11）：51-55.