曲柱式框架墩構(gòu)件類型的選擇

劉鋼城

(中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100029)

1 概況

某城市輕軌機場線區(qū)間高架站兩端均為高架橋，島式站臺，正常區(qū)間線間距為3.6 m～4.2 m，進站前的線間距為13.2 m。受既有城市主干道的影響，輕軌高架橋的橋墩沿中央分隔帶內(nèi)布置，在車站兩端進出站的一定范圍內(nèi)，上下行線需要逐步分開設(shè)置，線間距逐漸從3.6 m增加至13.2 m。為保證原有道路在施工期間仍能有一定的通行能力，并考慮輕軌高架橋?qū)ρ鼐€城市景觀的最大協(xié)調(diào)性，經(jīng)多方案比選，在車站兩端一定范圍內(nèi)采用了曲柱式大懸臂墩，其立面如圖1所示，墩身均采用直坡到底的雙柱矩形等截面，截面尺寸為橫向1.4 m，縱向1.8 m;頂帽均采用大懸臂托盤式墩帽，縱向?qū)挾染鶠?.8 m。該框架墩具有基礎(chǔ)整體性強，占地少，有利于地下管線的鋪設(shè)避讓，地面以上視覺美觀，流暢，可以最大程度保障橋墩兩側(cè)邊城市道路的行車凈空。框架墩蓋梁上端兩側(cè)箱梁為單線軌道梁，兩梁中心間的距離為線間距。

圖1 橋墩立面圖（單位：cm）

2 框架墩的受力特性

在直柱式門架墩受力分析中，由于墩柱一般均垂直于帽梁，在豎向荷載的作用下，墩柱為壓彎構(gòu)件，帽梁為彎剪構(gòu)件，且一般帽梁的剛度比墩柱橫向的剛度要大，所以帽梁與墩柱之間受力比較明確，當(dāng)帽梁與墩柱的線剛度之比大于5時，雙柱式帽梁可按簡支梁進行計算，多柱式墩帽梁可按連續(xù)梁計算。

本曲柱式大懸臂墩帽梁與曲柱連接部位剛接較強，線形過渡復(fù)雜，因此應(yīng)按框架進行受力分析。設(shè)計過程中采用了桿系有限元進行了各種工況下的內(nèi)力分析，同時為搞清楚曲柱與帽梁相交處的應(yīng)力分布，采用了彈性力學(xué)實體單元進行了應(yīng)力分析。

桿系法計算表明，曲柱墩懸臂端為受彎構(gòu)件，曲柱為雙向壓彎構(gòu)件，帽梁在兩曲柱之間的部分為拉彎構(gòu)件(全部荷載作用下，彎矩M=3 400 kN·m，拉力N=6 880 kN)。

實體單元分析也表明帽梁的應(yīng)力分布與桿系法基本一致，應(yīng)力分布層狀明顯，顯示帽梁中間部分受拉彎作用明顯。曲柱的應(yīng)力分布符合壓彎構(gòu)件的要求(見圖2)。

圖2 恒載作用下的應(yīng)力分布圖

考慮路線的走線及兩邊梁部相距13.2 m的距離，因此橋墩帽梁及墩柱直接受太陽的照射作用較強烈，且受雨雪的侵蝕。故非線性溫度的作用也不能忽視，計算表明，降溫作用不利于柱間的拉彎構(gòu)件。

3 曲柱墩構(gòu)件類型的選擇

根據(jù)內(nèi)力計算成果及應(yīng)力分布狀況，在恒載及活載作用下，橋墩柱主要受壓及雙向彎矩，帽梁懸臂端為彎剪力作用。帽梁中間段拉彎作用十分明顯。

分析表明，本曲柱框架墩帽梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)最為合理經(jīng)濟，有利于控制中間拉彎構(gòu)件的出現(xiàn)，可以通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量及位置，將原拉彎構(gòu)件轉(zhuǎn)化為彎矩較小的壓彎構(gòu)件，且可以將帽梁懸臂端受彎構(gòu)件變成壓彎構(gòu)件，并提高懸臂端的抗剪能力。

帽梁采用鋼筋混凝土構(gòu)件也可行，但截面強度控制所需普通鋼筋的配置數(shù)量較多，且普通鋼筋在上緣的配置量要遠遠多于下緣的配置量。為限制裂縫寬度，需要控制鋼筋的應(yīng)力，這樣在正常使用條件下，普通鋼筋的效率不高。為保證構(gòu)件的耐久性能，應(yīng)該盡量限制裂縫寬度，充分保證極限強度儲備。為保證受拉鋼筋承擔(dān)全部的拉力，鋼筋錨固端應(yīng)進入懸臂端及曲柱墩內(nèi)部，使拉力鋼筋有充分的錨固長度，鋼筋能充分發(fā)揮其抗拉性能。

為防止帽梁表面在太陽的暴曬與雨水的相互作用下產(chǎn)生表面裂紋，應(yīng)做好帽梁表面抗雨雪防護，并適當(dāng)增加鋼筋保護層的厚度。

墩柱采用鋼筋混凝土構(gòu)件時在技術(shù)上較為合理，也經(jīng)濟耐久。但在鋼筋的配置上要充分考慮雙向彎矩的作用，比如靠近站臺的橋墩始終受到進站列車的制動力作用及出站列車的牽應(yīng)力作用，二者使橋墩始終受到指向站臺方向的力，由于行車密度較大，因此應(yīng)充分考慮其對橋墩及帽梁的單向作用。在鋼筋布置時，在整體滿足強度及抗裂性的基礎(chǔ)上，建議重點加強墩柱截面四個角處的鋼筋配置，充分發(fā)揮四個角處鋼筋對提高強度及抵抗裂縫出現(xiàn)的作用。

4 結(jié)語

通過計算分析比較，發(fā)現(xiàn)曲柱式框架墩具有與一般直柱式框架墩不同的受力性能，曲柱框架墩帽梁的中間段為拉彎構(gòu)件，且拉力隨著曲柱斜角的增大而增大，其所受拉力不容忽視，因此設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體情況確定采用的構(gòu)件類型。主要結(jié)論如下：

1)曲柱式框架墩造型美觀，有利于減少基礎(chǔ)的空間，適合城市高架輕軌橋的橋墩。

2)設(shè)計曲柱式框架墩帽梁的構(gòu)件類型時，應(yīng)該優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件不但效果良好，而且耐久性優(yōu)越;在條件許可時，也可以采用鋼結(jié)構(gòu)。一般不建議采用鋼筋混凝土構(gòu)件，確實需要采用時，應(yīng)加強普通鋼筋的設(shè)置，充分滿足強度，嚴(yán)格抗裂要求，且應(yīng)留有較多的富余，應(yīng)充分保證普通鋼筋錨固到受拉區(qū)以外的足夠錨固長度，并注意適當(dāng)增加鋼筋的保護層厚度。

3)由于曲柱墩是雙向壓彎構(gòu)件，因此采用鋼筋混凝土構(gòu)件較為經(jīng)濟合理，在普通鋼筋布置時應(yīng)加強其四個角的鋼筋的用量，可以將多根鋼筋成束布置或采用合適的型鋼。

4)帽梁與曲柱相交的部位受力較為復(fù)雜，應(yīng)加強連接部位鋼筋的錨固方式及錨固長度的設(shè)計。

［1］ F.萊昂哈特.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋原理［M］.程積高，譯.北京：水利電力出版社，1984.

［2］ 袁國干.配筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1990.