雙支座獨柱墩墩頂配筋優化研究

趙陽，王建兵，曾平，王瑞康

（北京鐵辰工程監理有限公司 工程管理部，北京 100084）

0 引言

上跨鐵路橋梁通常受到施工空間限制采用整幅轉體，橋面寬度較大［1-4］，而橋墩根部受轉盤尺寸限制，所以此類橋轉體墩多采用倒梯形［5-6］。倒梯形雙支座獨柱墩由于自身受力特點通常會在墩頂產生較大拉力，設計過程中常會遇到墩頂計算配筋過多的情況。合理評估墩頂配筋數量對結構安全以及控制施工難度和造價有十分重要的意義。

1 工程概況

以某跨鐵路混凝土連續梁橋為依托，線路等級為城市主干路，設計速度60 km/h。設計荷載采用城-A 級，跨鐵路孔及相鄰孔汽車活載提高30%。標準路面橫坡為±1.5%。鐵路限界：（1）滿足規范鐵路雙層集裝箱限界要求，橋下鐵路軌面至梁底凈高按≥7.96 m，平面凈距≥3.1 m；（2）轉體施工梁底至承力索的最小安全距離≥0.7 m。公路限界：既有及規劃道路凈高≥5.0 m。標準斷面布置：1.0 m（監測網）+0.6 m（防撞墻）+3.0 m（人非混行道）+0.6 m（防撞墻）+0.75 m（側向凈寬）+（2×3.5+3.25） m（機動車道）+2.0 m（中央分隔帶）+（3.25+2×3.5） m（機動車道）+0.75 m（側向凈寬）+0.6 m（防撞墻）+3.0 m（人非混行道）+0.6 m（防撞墻）+1.0 m（監測網），橋面總寬度34.4 m。

主橋采用（95+162+95） m 連續箱梁，上部結構采用單箱四室斜腹板截面；沿箱梁結構中心線中支點處梁高9.5 m，邊支點等高段及跨中梁高3.5 m，等高段長15.34 m；其余梁底線形按1.6次拋物線變化。箱梁頂板寬34.4 m，底板寬20.503～25.957 m。兩側懸臂長3.0 m；懸臂板端部厚0.2 m，根部厚0.6 m，橫橋向懸臂厚度線性變化；箱梁頂板厚0.30 m，中支點左右兩側25.5 m，范圍頂板厚0.52 m，邊支點及中支點處均增厚0.3 m；底板厚0.3～1.0 m，中支點和邊支點處分別增至1.55、0.60 m；邊腹板、中腹板厚度為0.5～0.8～1.2 m。中支點處對應墩身設置中橫梁，厚5.0 m，邊支點處端橫梁厚2.0 m。

邊墩為3柱式墩，整幅布置，蓋梁采用鋼筋混凝土蓋梁，順橋向寬28 m，高度2.6 m，墩柱橫向布置3個，平面尺寸為2 m×2 m。下接“王”字形承臺，厚3.0 m。基礎采用6根φ1.8 m的鉆孔灌注樁。

分析對象為該跨線橋轉體墩。轉體墩采用固定支座，墩身采用矩形變寬截面，墩身平面尺寸為4.8 m（縱橋向）×（12.0～14.0） m（橫橋向）。轉盤結構采用環道與中心支承相結合的轉動體系；基礎采用25 根φ1.8 m的鉆孔灌注樁，具體尺寸見圖1。

2 規范算法

根據JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（簡稱新《橋規》）［7］第8.4.7 條，雙支座獨柱墩的墩頂配筋采用拉壓桿法進行簡化計算。規范拉壓桿計算公式如下：

式中：Tt，d為墩頂的橫向拉桿內力設計值；Fd為墩頂的豎向力設計值，按基本組合取用；s 為雙支座中心距；h 為墩頂橫向變寬度區段高度，當h＞b 時，取h=b，b 為墩帽頂部橫向寬度；b'為距離墩頂高度為h 位置處墩帽或墩身的橫向寬度；fsd為普通鋼筋抗拉強度設計值；As為拉桿中普通鋼筋的面積，按蓋梁頂部2h/9 高度范圍內的鋼筋計算；γ0為重要性系數。

新《橋規》中給出的雙支座獨柱墩的拉壓桿的計算圖示見圖2。

圖2 雙支座獨柱墩的墩拉壓桿的計算圖示

工程計算參數取值如下：墩頂橫向變寬度區段高度h=4.5 m，墩頂基本組合豎向力設計值Fd=167 580 kN，雙支座的中心距s=10 m，距墩頂高度為h的位置處墩身橫向寬度b'=12 m。墩頂拉桿擬配置HRB400 的φ28 mm 鋼筋，重要性系數γ0=1.1，鋼筋抗拉強度值fsd=330 MPa。

根據以上參數計算的墩頂拉桿拉力Tt，d=0.45×167 580×（2×10-12）/4.5=134 064 kN。HRB400 鋼筋對應的配筋面積As=1.1×134 064×1 000/330=446 880 mm2，換算為φ28 mm 鋼筋所需數量為446 880/615.8=726（根）。墩頂寬4.8 m，按照雙根一束間距10 cm 配置鋼筋，每層配置96根，配置726根鋼筋需要8層。

可見，計算的配筋面積明顯超出了常規結構配筋規模，如果按照新《橋規》計算配筋面積進行設計，不僅要耗費大量鋼筋，且8層鋼筋對設計構造處理以及實際施工都會帶來較大難度。為了獲得更加真實的橋墩受力情況和配筋需求，采用有限元實體模型對墩身進行模擬。

3 有限元模型

采用有限元軟件Abaqus建立目標橋墩模型。Abaqus具有完備的可視化操作界面和求解模塊，適合對復雜實體進行受力分析。其中求解模塊分為Standard和Explicit。Explicit屬于顯示積分求解模塊，用于進行撞擊、沖擊等短促高頻動力分析。Standard用于常規動力和靜力分析。此次模擬采用Standard模塊對橋墩進行靜力分析。

實體模型的模擬范圍為雙支座獨柱墩的支座墊石、墩身以及承臺。模型采用N、mm量綱系統進行建模。

目標橋墩的支座墊石、墩身以及承臺均采用C50混凝土，其材料特性使用線彈性本構關系模型模擬。本構模型參數如下：彈性模量取3.45e4 MPa，泊松比取0.2。

根據圣維南定理，樁基礎距離分析關注區域較遠，其邊界處理對分析結果影響很小。所以模型中將承臺與樁基礎、承臺底部地基之間的受力邊界簡單處理為承臺底采用全固結。通過上部結構傳遞至支座的荷載和活載模擬為作用于支座墊石頂部的均布力。

為兼顧仿真分析的精確性和計算資源的可行性，有限元單元網格一般尺寸取50 cm。全模型采用二階檢索積分六面體實體單元，總計6 612 個單元、30 338 個節點，單元分布見圖3。

圖3 實體模型單元分布

模型中考慮的荷載如下：

（1）墩身自重：軟件自動根據實體體積和密度參數計算，鋼筋混凝土容重取26 kN/m3。重力加速度取9.8 m/s2，荷載分項系數1.2。

（2）支座基本組合荷載：橋墩2個支座的基本組合總荷載為335 160 kN。

4 結果分析

為了得到墩頂橫橋向受拉區域的分布范圍，通過調整輸出選項，將圖中橫橋向正應力為壓應力的區域輸出為黑色，輸出橋墩橫橋向正應力云圖見圖4。可見，從墩頂向下的5層單元的范圍內顯示為彩色，第6層以下均顯示為黑色。由于單元網格的標準尺寸均為0.5 m，可知自墩頂以下2.5 m范圍內的橫橋向正應力均為拉應力。

圖4 橋墩橫橋向正應力云圖

為了得到墩頂橫橋向拉桿所對應的總拉力，偏于保守地假定，自橋墩頂面以下2.5 m范圍內結構產生的拉力均由鋼筋承擔。提取該范圍內的橫橋向總拉力結果（見圖5），可見，墩頂總拉力Tt，d=39 680 kN。

圖5 墩頂區域橫橋向總拉力

為方便與新《橋規》計算結果對比，將墩頂橫橋向拉力換算為鋼筋面積。根據式（1），采用HRB400鋼筋則需要的鋼筋總面積為1.1×3.968e7/330=132 267 mm2。按照φ28 mm鋼筋計算則所需鋼筋數量為132 267/615.8=215（根）。按照雙根一束間距10 cm配置鋼筋，僅需配置3層鋼筋。根據以往設計經驗，由實體模型計算得到的配筋計算結果更加現實。

但有限元的計算結果同樣表示，雙支座獨柱墩的墩頂存在較大的橫橋向拉應力，為了合理化配筋，降低墩頂開裂風險，進一步提高橋墩的耐久性能，建議在墩頂設置橫橋向預應力鋼筋代替普通鋼筋。如采用標準抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線，則抗拉強度設計值為1 260 MPa，需要的鋼筋總面積為1.1×3.968e7/1 260=34 642 mm2。按照15.2 mm 鋼絞線計算，所需鋼筋數量為34 642/139=250（根）鋼絞線。采用19-φs15.2鋼束配合φ內108 mm金屬波紋管，可一層布置7束，分2層布置。

5 結論

（1）實體墩墩頂橫橋向存在較大拉應力，普通鋼筋需要3層左右。可優化為預應力鋼筋。

（2）對于墩身高度比頂面寬度小很多的實心墩，根據新《橋規》計算的墩頂拉力會偏大。以目標工程為例，墩寬/墩高=14/4.5=3.1 時，新《橋規》計算墩頂拉力/有限元計算墩頂拉力=2.8。