城市立交匝道橋花瓶墩設計簡析

溫小勇

摘 要：城市立交匝道橋具有大縱坡、小半徑、橋下用地緊張的典型特征，花瓶墩因外形美觀、占地面積小在城市立交匝道橋設計中得以廣泛運用。本文結合工程實例，通過比對花瓶墩計算結果，總結經驗為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：城市立交;匝道橋;花瓶墩墩身設計

中圖分類號：U412.352.12 文獻標識碼：A

隨著社會經濟高速發展，汽車保有量迅速增長，為疏解節點交通、實現交通流快速轉換，城市立交得以大量建設。受城區復雜的建設條件影響，匝道橋下部結構選型也受到頗多限制。花瓶墩因外形美觀、占地面積小在城市立交匝道橋設計中得以廣泛運用。花瓶墩墩頂擴頭部位受力較為復雜，結構模擬計算難度較大。2018版《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對花瓶墩如何模擬計算做出了明確規定，本文結合某城市立交工程實例，對花瓶墩結構按不同模型計算、比對計算結果，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 立交總體布置簡介

西南某市跨江大橋橋頭立交改造工程，共設七條匝道實現跨江大橋與橋下道路的互聯互通，其中ABCEF匝道采用橋梁形式。本項目由分離式立交改造為互通式立交，周邊緊鄰建成小區及已出讓土地，用地緊張;項目位于中心城區、臨江主干道景觀要求高。為充分利用橋下空間、節約用地，下部結構擬采用花瓶墩，采用承臺接鉆孔灌注樁基礎，樁基采用旋挖鉆成孔、按端承樁設計。

1.2 A匝道橋設計方案

A匝道橋全寬10.5 m，標準橫斷面布置為3 m（人行道）+7 m（車行道）+0.5 m（護欄）。橋梁最小半徑150 m，橋梁最大縱坡4.7%，最大超高反向1.5%。

上部結構采用4×30 m+3×30 m預應力砼連續箱梁，梁高1.7 m，直腹板箱梁頂寬10.5 m，底寬6.5 m，采用單箱雙室截面。梁底設置縱向限位擋塊避免主梁滑移。采用Midas civil建立彎橋梁格模型，P1墩最大支反力計算結果：基本組合為6 500 kN，內側支座反力為2 575 kN，外側支座反力為4 932 kN。

下部結構采用花瓶墩接承臺樁基礎，花瓶墩底截面為3.0×1.6 m，墩頂截面為7.7×1.6 m，承臺尺寸6.8×3.0×2.5 m，采用直徑1.6 m單排樁基礎。

2 墩頂配筋驗算

根據工程經驗，橋墩頂部2 m范圍參照蓋梁配筋：頂緣配2排根直徑28 mmHRB400鋼筋， 每排16根;底緣配一排15根直徑22 mmHRB400鋼筋。墩身橫橋向布置27根，順橋向布置11根直徑28 mmHRB400鋼筋（單側）。根據相關規范進行橋墩安全驗算。本項目花瓶墩墩頂設雙支座，受力模式為設蓋梁的獨柱墩。墩頂蓋梁受力類似于深梁或牛腿，分別采用拉壓桿模型和牛腿模型計算墩頂抗拉承載力。

2.1 按牛腿模型驗算

根據《公預規》5.2.2條、6.4.3條驗算牛腿根部抗彎承載力和裂縫寬度。模擬牛腿模型（圖1），采用橋梁博士建模驗算，結果如下：

（1）承載能力極限狀態荷載組合Ⅰ強度驗算結果：

最大彎矩強度驗算

截面受力性質：上拉受彎

內力描述：Mj=-6 440 kN.M。

截面抗力：MR=-14 100 kN.M>Mj（滿足）。

最小配筋面積Ag=7.48×10-3m2<實際配筋面積Ag=1.97×10-2m2（滿足）。

（2）正常使用極限狀態荷載組合Ⅱ裂縫寬度驗算結果：

長期荷載裂縫寬度： d_f = 0.186 mm（滿足）。

容許裂縫寬度： d_fo = 0.2 mm。

2.2 按拉壓桿模型驗算

本項目花瓶墩墩頂設雙支座，受力模式為設蓋梁的獨柱墩。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》8.4.7條，墩頂受力類似于深梁或牛腿，可采用拉壓桿模型（圖2）計算墩頂抗拉承載力。

（1）抗拉承載力驗算。墩頂的橫向拉力：Tt，d ?=0.45×

6 500× （2×4 900 - 1 600） ÷ 5 000 = 4 797.0 kN;拉桿的承載力：Rt，d = 330×（32×615） =6 494.4 kN>Tt，d;由于γ0 Tt，d = 1.1 ×4 797 .0= 5 276.7 kN

（2）壓桿、節點承載力驗算。根據《公預規》8.4.7條條文說明“墩帽拉壓桿模型中斜壓桿的有效橫截面積較大，壓桿和節點承載力不控制設計，只需進行拉桿配筋驗算”。

（3）裂縫寬度驗算。根據《公預規》第6.4.3條計算鋼筋混凝土受彎構件最大裂縫寬度。經對比牛腿計算模型和拉壓桿計算模型，在配筋相同的情況下，墩頂各截面實際高度均大于牛腿模型，隨著截面高度增加，鋼筋應力減小，裂縫寬度相應減小。故拉壓桿模型計算裂縫寬度小于牛腿模型計算結果。

2.3 抗剪承載力驗算

根據對比牛腿模型（圖1）及拉壓桿模型（圖2），牛腿模型根部截面高度小于拉壓桿模型，選擇牛腿模型進行抗剪計算偏安全。

（1）抗剪截面尺寸驗算。根據《公預規》5.2.11規定，矩形截面的受彎構件，抗剪截面應符合下列要求：

剪力效應：Υ0Vd=1.1×6 500=7 150 kN，截面抗剪抵抗力：=0.51×10-3×sqrt（40） ×106×1.6×（2.31-0.09）=11 457.1 kN>7 150 kN（滿足）。

（2）抗剪承載力驗算。結構未設置抗剪鋼筋，故根據《公路圬工橋涵設計規范》4.0.13 條計算：

剪力效應：Υ0Vd=1.1×6 500=7 150 kN，抗剪承載力=1.6×2.06×2.48×103+（0.7×6 494）÷1.4=11 421.1 kN。安全系數為1.59，滿足規范抗剪承載力要求。

3 結語

（1）花瓶墩具有明顯的深梁抗彎抗剪受力特性，《公預規》明確提出可采用拉壓桿模型計算。同等尺寸及配筋條件下，拉壓桿模型計算安全系數略小于牛腿模型，實際工程實踐中宜采用拉壓桿模型計算，再將鋼筋應力代入裂縫寬度公式計算裂縫，檢查裂縫寬度是否超限。

（2）深梁中水平和豎向鋼筋對受剪承載力的作用有限[4]，通過提高墩帽混凝土強度等級和加大截面尺寸能夠有效提升墩帽抗剪能力，花瓶墩由于截面高度較大，僅混凝土截面抗剪能力即可滿足抗剪要求，通常構造鋼筋即可。但墩頂9/h高度范圍為墩頂受拉區，應根據拉桿計算模型配置受拉鋼筋。

（3）根據計算結果結合工程經驗加大花瓶墩墩帽厚度可明顯改善花瓶墩墩頂受力狀態。當受橋下空間或其他建設條件限制必須減小墩帽高度時，必須根據計算結果配置足夠面積的受拉鋼筋，必要時可張拉預應力鋼束，避免因拉桿承載力不足導致墩頂豎向開裂。

（4）小半徑匝道橋加大支座間距有利于提高橋梁橫向穩定，但支座間距的加大又不利于花瓶墩墩頂受力，工程實踐中應統籌考慮上下部結構受力關系，以免顧此失彼。

（5）小半徑彎橋內、外側支反力差別較大。墩身截面強度、裂縫驗算除了考慮順橋向彎矩的影響外，還應注意不均衡支反力產生的橫向彎矩影響，加強墩柱配筋設計。

參考文獻：

[1]JTGD60-2015公路橋涵設計通用規范[S].

[2]JTG3362-2018公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]JTGD61-2005公路圬工橋涵設計規范[S].

[4]劉華新，孫榮書，張曉東.鋼筋混凝土深梁抗剪承載力影響因素分析[J].武漢理工大學學報，2007，29（02）：67.