橋梁門式框架墩設(shè)計(jì)研究

詹航 張謙 歐陽澤卉

摘要：在公路、市政及輕軌橋梁建設(shè)中，由于既有道路或構(gòu)造物導(dǎo)致橋梁小角度跨越較多，因此，框架墩被廣泛應(yīng)用。文章以新207國(guó)道大橋2#墩為例，介紹3柱框架墩的設(shè)計(jì)研究過程，并根據(jù)框架墩的建設(shè)條件分析不同結(jié)構(gòu)方案的受力特點(diǎn)，同時(shí)基于線性疊加原理提出該類結(jié)構(gòu)的鋼束配置策略，最終確定合理的橋墩結(jié)構(gòu)形式，為框架墩的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：框架墩;固結(jié);預(yù)應(yīng)力;設(shè)計(jì)

0 引言

新207國(guó)道大橋（圖1）是襄陽繞城高速公路南段一座控制性橋梁，在里程樁號(hào)K42+589.3與新207國(guó)道K2460+990交叉，交角29°，采用2×58 m變截面連續(xù)組合梁橋上跨新207國(guó)道，橋下凈空按6×26 m控制。大橋主梁鋼梁采用鋼槽梁，單箱單室結(jié)構(gòu)，直腹板，梁高3～4 m，頂板寬1 m，底寬6.39 m;箱梁頂板厚28～44 mm，腹板厚16～20 mm，底板厚16～20 mm;底板采用T型肋加勁，橫向間距為800 mm，橫隔板順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為3.5 m，中橫隔板厚16 mm，端支承橫隔板厚32 mm;主墩設(shè)計(jì)為矩形柱式墩，組合梁橫梁外伸至墩柱，過渡墩采用分離式蓋梁柱式墩，采用樁基礎(chǔ)。建設(shè)過程中考慮到過渡墩墩柱處于新207國(guó)道路基邊坡?lián)鯄μ?，距離新207國(guó)道最外側(cè)行車道較近，為避免過渡墩遭受意外撞擊，故將過渡墩設(shè)計(jì)由分離式蓋梁柱式墩調(diào)整為3柱框架墩。本文以2#墩為例介紹3柱框架墩的設(shè)計(jì)研究過程。

1 框架墩設(shè)計(jì)方案

框架墩因布置靈活而在道路交叉中的應(yīng)用非常廣泛，尤其是當(dāng)既有或規(guī)劃道路地上、地下附著物錯(cuò)綜復(fù)雜，道路交叉角度小時(shí)，更凸顯這種下部結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)越性?？蚣芏湛砂凑詹牧喜煌?，分為普通鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)3種形式;按照墩柱個(gè)數(shù)分為雙柱、3柱及多柱框架墩[1]。本橋主梁為鋼混組合梁，無法采用鋼結(jié)構(gòu)框架墩，且按照橋墩避讓要求，最終確定將2#過渡墩由分離式蓋梁柱式墩合并為3柱框架墩。2#過渡墩的墩柱間距分別為8.2 m和14.5 m，墩柱間距相差較大，在滿足支撐上部結(jié)構(gòu)及橋下凈空要求，并考慮墩柱抗推剛度和高差、預(yù)應(yīng)力布置及外觀等因素后，具體的橋墩結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。橫梁高×寬為2 m×2.5 m，靠近墩柱側(cè)設(shè)置加厚段，提高墩頂附近抗剪承載力，墩柱尺寸順橋向×橫橋向均為2.5 m×2 m，采用2 m厚承臺(tái)接4根直徑1.2 m樁基礎(chǔ)。

按照墩柱和橫梁的合理剛度匹配原則，本橋2#框架墩橫梁梁高不能取值過大，一方面足夠滿足橋下通行凈空，另一方面不會(huì)因受力分配導(dǎo)致橋墩整體尺寸擬定過大而造成浪費(fèi)。

由于2#框架墩跨徑較大，承擔(dān)的上部結(jié)構(gòu)荷載也很大，溫度荷載效應(yīng)在所承受的各分項(xiàng)荷載效應(yīng)中所占比重也最大，在結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下只能通過比選合適的結(jié)構(gòu)體系方案和尋找對(duì)應(yīng)的最優(yōu)鋼束布置，從而減小溫度荷載效應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)，也避免因體系不合理導(dǎo)致配置過多的預(yù)應(yīng)力鋼束。方案一為框架墩與框架梁全部固結(jié)，橋墩整體性和抗震性能較好，超靜定次數(shù)多，受力較復(fù)雜，混凝土收縮徐變和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)受結(jié)構(gòu)體系影響大，施工時(shí)需整體澆筑墩梁;方案二為中墩與框架梁固結(jié)，邊墩釋放除縱橋向和豎向以外的約束，在簡(jiǎn)支情況下，邊墩墩梁結(jié)點(diǎn)處預(yù)應(yīng)力、收縮徐變和溫度作用效應(yīng)得到緩解，體系受力形式明確[2]。

2 結(jié)構(gòu)分析及配束

框架墩通常為預(yù)應(yīng)力超靜定結(jié)構(gòu)，主要承受自重、上部結(jié)構(gòu)傳遞的恒活載、汽車制動(dòng)力、系統(tǒng)溫度及預(yù)應(yīng)力作用等。本橋根據(jù)過渡墩的約束情況不考慮汽車制動(dòng)力，采用Midas軟件建立有限元分析模型（見下頁圖3），計(jì)算結(jié)構(gòu)效應(yīng)并配置鋼束后進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

2.1 分析要點(diǎn)

本橋2#橋墩均采用矩形截面建立梁?jiǎn)卧Ｐ停罩c框架梁之間模擬彈性連接，橋墩汽車活載通過建立虛擬橫梁傳遞，在支座位置處模擬支座支承剛度。

對(duì)于框架墩基礎(chǔ)約束條件的模擬，因本橋墩墩高較小，樁土約束條件對(duì)分析結(jié)果影響很大，需要根據(jù)梁柱線剛度之比確定樁基合理的模擬剛度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常以換算深度hm=2×（d×1）范圍內(nèi)的土層水平抗力比例系數(shù)作為整個(gè)土層對(duì)樁的等效作用m值。若模擬約束較實(shí)際強(qiáng)時(shí)，過大的樁基剛度導(dǎo)致墩柱分擔(dān)的荷載較橫梁大，框架梁分擔(dān)過小而偏于不安全，反之墩柱和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不安全，這與真實(shí)值必然存在誤差，故本橋樁基礎(chǔ)按實(shí)際土彈簧剛度模擬[3]。

橋墩及上部結(jié)構(gòu)恒載取實(shí)際重量，汽車作用于虛擬橫梁上的單個(gè)車輪荷載由上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的總支座反力反算得到，溫度作用考慮20 ℃整體升降溫。施工階段模擬順序?yàn)椋嚎蚣芏罩Ъ墁F(xiàn)澆→分批張拉預(yù)應(yīng)力→架設(shè)主梁（含二期）→10年收縮徐變。

由于橋墩結(jié)構(gòu)和荷載的不對(duì)稱性，使得鋼束布置對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)受力影響非常大，需要通過不斷調(diào)整配束進(jìn)行試算，才能得到合理的鋼束配置參數(shù)（配束策略見后）。2#橋墩最終分析結(jié)果表明，采用方案一時(shí)，框架梁最大壓應(yīng)力為15.3 MPa，最大拉應(yīng)力為-0.2 MPa，通過合理的配束可以滿足承載能力和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，但邊墩最大拉應(yīng)力達(dá)到3.5 MPa，墩柱底部將承擔(dān)較大彎矩，滿足偏心受壓承載能力和裂縫限制條件下，邊墩需配置較多的受力主筋，且墩梁結(jié)點(diǎn)過強(qiáng)也不利于抗震耗能。采用方案二時(shí)，框架梁最大壓應(yīng)力為14.9 MPa，最大拉應(yīng)力為-2.4 MPa，邊墩壓應(yīng)力為1.5 MPa，邊、中墩柱保持全截面受壓，該方案因降低了結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)，故鋼束數(shù)量可明顯減少，橋墩縱向穩(wěn)定也可得到保證。另外，方案一框架墩在施工、通車運(yùn)營(yíng)過程中受諸多因素影響會(huì)使邊墩產(chǎn)生內(nèi)傾，混凝土徐變收縮也進(jìn)一步加劇這種不利變形。為了改善框架墩受力狀態(tài)，通常對(duì)邊墩墩頂由內(nèi)向外施加一定的水平頂推力，抵消上述因素產(chǎn)生的變形，降低邊墩墩底的彎矩。

2.2 鋼束配置

本橋2#墩在配束試算過程中，基于線形疊加原理分析“恒活載+溫度作用”、鋼束一次、“鋼束二次+收縮徐變二次”產(chǎn)生的3種彎矩內(nèi)力圖，將框架墩劃分鋼束調(diào)整區(qū)域進(jìn)行逐步調(diào)束試算（圖4）。這種方法對(duì)超靜定次數(shù)多的結(jié)構(gòu)配置鋼束具有思路清晰、效率高的優(yōu)勢(shì)，并形成如下配束策略：（1）A區(qū)域截面下緣不宜布置多層鋼束，上緣需與之平衡，且上彎中層束也有利于滿足截面抗剪和鋼束布置空間要求，這樣可降低此處截面鋼束一次、“鋼束二次+收縮徐變二次”合計(jì)的抗力彎矩，避免導(dǎo)致方案一截面上緣和方案二截面下緣過度受壓;（2）B區(qū)域截面彎矩效應(yīng)控制框架梁的鋼束總根數(shù)，抗力彎矩由鋼束一次提供，可通過增加截面頂層束或鋼束靠近上緣布置滿足承載要求，但頂層束布置過多，將導(dǎo)致類似（1）中的壓應(yīng)力和張拉端下緣壓應(yīng)力不易滿足規(guī)范要求;（3）C區(qū)域墩柱間距較大，可通過靠近下緣布置鋼束或?qū)撌拷叾掌饛潩M足抗力要求;（4）短暫狀況應(yīng)力通過調(diào)整架梁和鋼束分批張拉施工次序滿足規(guī)范要求。

最終滿足受力和構(gòu)造要求的鋼束布置如圖5所示。方案一配置21根s15.2-19鋼束，方案二配置19根s15.2-17鋼束。結(jié)果表明，方案一與方案二鋼束形狀基本相同，大體與彎矩內(nèi)力圖相似;方案二配束過程較方案一簡(jiǎn)單，所需鋼束用量較小。

實(shí)際施工過程中，結(jié)合橫梁在預(yù)應(yīng)力和恒載等施工荷載作用下截面邊緣混凝土法向應(yīng)力和撓度變形要求，最終確定本橋2#墩施工階段順序?yàn)椋嚎蚣芏罩Ъ墁F(xiàn)澆→N4鋼束→N2鋼束→N3鋼束→架設(shè)主梁→N1鋼束→N5鋼束→橋面系。

3 結(jié)語

在公路、市政及輕軌橋梁建設(shè)中，由于既有道路或構(gòu)造物導(dǎo)致橋梁小角度跨越較多，因此，框架墩被廣泛應(yīng)用。新207國(guó)道大橋由于主梁鋼結(jié)構(gòu)部分已經(jīng)在工廠制作，無法通過加長(zhǎng)墩頂鋼橫梁的方式實(shí)現(xiàn)一孔跨越，而采用門型框架墩結(jié)構(gòu)形式，并合理釋放約束，可有效解決這類實(shí)際工程問題。

（1）框架墩可根據(jù)邊界條件設(shè)計(jì)為不同材料和結(jié)構(gòu)形式，本文對(duì)比了柱間距差異較大的3柱框架墩采用不同結(jié)構(gòu)方案的受力特點(diǎn)。

（2）由于橋墩結(jié)構(gòu)和荷載的不對(duì)稱性，框架梁設(shè)置截?cái)噤撌菀诐M足結(jié)構(gòu)受力要求，但鋼束截?cái)嗪箅y于錨固，而選擇通長(zhǎng)束較為浪費(fèi)。本橋從采用一次落架施工方式以及截面抗剪兩個(gè)角度考慮，采用對(duì)稱彎起通長(zhǎng)鋼束。

（3）對(duì)于超靜定次數(shù)多的橋墩，鋼束配置過程較復(fù)雜，可基于線性疊加原理逐步分析出配束策略。

（4）框架墩與框架梁全部固結(jié)時(shí)，“鋼束二次+收縮徐變二次”效應(yīng)對(duì)鋼束配置影響很大，可通過釋放邊墩約束降低結(jié)點(diǎn)處的配束難度，減少鋼束數(shù)量，同時(shí)避免采用因邊墩產(chǎn)生內(nèi)傾水平位移而施加頂推力的施工措施，使橋墩結(jié)構(gòu)受力形式更加明確。

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