門式墩預應力設計及思考

徐小云

(山西省交通規劃勘察設計院，山西太原 030012)

下文將通過幾種不同形式的門式墩對比設計，對其蓋梁預應力方面作較為深入的分析，供廣大同仁參考借鑒。

1 概述

本文實際案例為忻州—阜平高速公路古峪溝高架橋，項目在忻州—長城嶺段高速公路于五臺縣東冶鎮—五臺城間，在五臺縣東冶鎮茹村附近跨越古峪溝，古峪溝是東冶通往五臺城方向的一條較大的沖溝，溝谷主要呈“V”形，東北走向，地勢北東高西南低，溝底沖蝕嚴重;交通量較大，是忻州通往五臺山唯一的等級公路。走廊帶狹窄，橋址范圍內地形復雜，為黃土覆蓋基巖低山區和中山峽谷區，采用了3 km長的高架橋方案，上部結構采用35 m跨徑的裝配式部分預應力混凝土小箱梁，整幅8片小箱梁，其中部分橋墩處線位由于受地形、地質控制，線位與忻臺二級公路斜交角度很大，因此下部采用整幅預應力蓋梁門型橋墩，橋梁正做的方案，使忻臺公路從橋墩柱間通過，以減小對忻臺二級公路的影響。

2 主要技術標準

1)公路等級:雙向三車道高速公路。

2)汽車荷載等級:公路—Ⅰ級。

3)橋面凈寬:左幅:10.75 m;右幅:12.25 m。

4)結構重要性系數:r0=1.1。

5)地震烈度8度，地震動峰值加速度為0.2g。

3 蓋梁及墩型設計

按照上部箱梁和蓋梁的受力形式大致分為三種形式，對稱受力，懸臂受力，偏載受力，下邊分別列出此三種受力的構造圖及鋼束布置圖。

3.1 受力構造圖

受力構造圖見圖1。

3.2 主要材料及性能

蓋梁采用C40混凝土，墩身采用C30混凝土，承臺及樁基采用C25混凝土。鋼束采用φs15.2鋼絞線，符合GB/T 5224-2003標準，設計強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95 ×10 MPa，松弛率為0.035，張拉控制應力 σcon=0.75fpk=1 395 MPa，預應力張拉端錨具參照OVM產品設計，預應力管道成孔采用鍍鋅波紋管，且鋼帶厚度不小于0.3 mm。管道摩阻系數0.22，偏差系數0.001 5。

3.3 預應力設計

1)蓋梁計算采用平面桿系結構計算軟件進行分析，地基按剛性基礎假定，將墩身底端視為固結的模型計算，同時考慮基礎不均勻沉降1 cm。蓋梁按全預應力構件設計，蓋梁控制截面主要是蓋梁跨中、柱頂上緣和柱兩側蓋梁下緣截面位置，分批張拉鋼束設計，為防止控制截面在施工階段出現過大的拉應力0.70ftk')，應注意鋼束張拉順序、架設主梁過程中控制截面的應力是否滿足要求，施工階段要求蓋梁上除主梁、架梁設備外，不得有其他任何可變荷載，為保證在架設主梁和移動過程中橋墩的穩定，應保持對稱平衡施工。

2)在考慮汽車荷載的橫向加載的影響時，在行車道凈寬范圍內布載，取最不利布載方式計算，驗證蓋梁各控制截面和墩身受力，并按該種工況控制設計，滿足承載能力極限狀態下的承載力要求和正常使用極限狀態下的抗裂要求。

3)對稱布載情況下，在蓋梁施工完畢，混凝土強度達到95%設計強度且齡期達到7 d以后，先對稱張拉N2，N3，等上部小箱梁架設完成后，再對稱張拉N1;懸臂布載情況下，先對稱張拉N3，N4，再對稱張拉N1，N2;偏載布載情況下，先對稱張拉N2，N4，等上部小箱梁架設完成后，再對稱張拉N1，N3，N5。第一批張拉鋼束是為了保證蓋梁在自重情況下能正常工作，第二批張拉的鋼束是針對蓋梁在正常運營情況下能保持良好的受力。

圖1 受力構造圖

4)實際應力圖形。

在對稱布載受力時，鋼束設計采用全通束雙向張拉設計(見圖2a))。

在偏載布載受力時，鋼束設計采用通束和斷束相結合，單雙向分別張拉，多受力，多補償設計(見圖2b))。

在懸臂布載受力時，鋼束設計采用通束和斷束相結合，單雙向張拉交叉設計(見圖2c))。

4 門式墩帶給我們的思考

下邊示出門式墩的設計思路和應用模型，來對門式墩的靈活性和適應性做進一步的闡述。

針對門式墩的設計思路，可以概括成以下三條設計:

1)門式墩與路線可以自由選擇交角，需要注意的是選擇角度時，要判斷出蓋梁受力的加載旋轉軸(本文注)，這樣能很好地確定門式墩蓋梁的受力情況，在蓋梁預應力設計的時候能清晰地分配鋼束，在跨越河流、山溝等時能很好的適應地形需要。

2)門式墩蓋梁可以自由選擇與墩的配合。如圖3所示，可以只設墩1和墩2，形成對稱布載設計;可以墩1，墩2，左右邊假設墩配合，形成偏載布載設計;也可以縮短墩1和墩2之間的距離，形成懸臂布載設計，在跨越復雜構造物，比如廠房、道路等時可以靈活設計。

3)門式墩在預應力設計時，可以采取多種方式。原則是:多受力，多補償。同時斷束和通束相結合，單向張拉和雙向張拉交叉設計，結合不同的加載方式，門式墩可以在跨度上有更自由的選擇。

總的說來，在設計思路上，門式墩可以圍繞加載旋轉軸形成正交和斜交方式，本身與墩的結合可以形成對稱、偏載、懸臂加載方式。

圖2 實際受力長期組合

圖3 門式墩設計模型

5 門式墩的應用

門式橋墩在我省高速公路建設中應用雖然還不多，在設計中仍有不足之處，如預應力鋼束張拉控制、施工荷載控制等情況，但是在已經通車的項目中，門式墩已經向我們展示了它強大的靈活性以及適應性，門式墩極為靈活的適應性在路線的線形選擇和規避復雜地形及構造物的同時，能很大程度地減少橋梁對線位的制約作用，極大地降低工程造價，而且對于山西的地上人文景觀，也能夠起到很好的保護。

在臨縣到離石高速公路陶家莊1號大橋跨越離磧線，以及太原武宿機場快速路12號橋跨越武宿立交匝道橋等項目中，由于受地形、構造物、被交路等因素的限制，門式墩都有廣泛應用。鑒于我省山區地形多、地貌復雜，且道路、廠房等因素，門式墩將會有廣闊的發展應用前景。

6 結語

由于篇幅所限，本文沒有對門式墩預應力進行太深入的闡述，只是對其適應性和設計思路上進行了簡單的介紹。誠摯希望廣大同行共同探討研究。筆者認為在山西周邊復雜地形地區采用門式墩是較為合理的墩型結構之一。

［1］JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［3］JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.