三柱式預應力門架墩結構分析與計算

張榮榮，劉軍鋒

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

隨著我國交通運輸事業的快速發展，相交道路在平面布置上發生沖突的情況也隨之增多，為滿足橋梁跨越要求，通常采用的措施有：采用大跨橋梁一孔跨越；在下方道路中央分隔帶設立橋墩；采用門架墩將墩柱放置于下方道路路幅以外。相較于采用大跨橋梁一孔跨越和中央分隔帶設墩而言，采用門架墩具有較大的經濟優勢，同時可以減小施工期對下方道路的影響，確保運營期橋墩的安全性，因此近年來門架墩在工程建設中得到了廣泛的應用。本文以襄陽繞城高速公路三柱式預應力門架墩設計為例，對門架墩支承形式的選擇及配束方式進行研究，最終為類似工程項目提出建議。

1 項目概況

襄陽繞城高速公路主線橋梁跨越地方一級公路，橋梁全長266 m，寬26 m，上部結構為2×30 m預制小箱梁+2×58 m鋼混組合梁+3×30 m預制小箱梁。由于高速公路與一級公路交角較小，為滿足跨越要求，下部結構在2#墩處設置門架墩，門架墩跨徑為8.2 m+14.5 m。

門架墩設計時首先應初步擬定蓋梁及樁柱的結構形式及尺寸，根據以往的工程經驗，本橋門架墩蓋梁按A類部分預應力混凝土構件進行設計，矩形截面，高2 m，順橋向寬2.5 m；對于樁柱結構形式，市政工程多采用方形墩接承臺、樁基，本橋為保證橋墩結構形式的一致性，門架墩采用圓形墩，樁柱直徑采用2.0 m+2.2 m。蓋梁采用C40混凝土，墩柱、樁基采用C30混凝土。

2 結構受力分析

2.1 支承形式擬定

門架墩設計時墩柱與蓋梁之間可通過設置支座或者固結的方式進行連接，考慮到橋梁上部結構荷載較大及活載引起的偏載效應，為確保門架墩的縱、橫向穩定性，結合連續梁的受力特性，將中墩與蓋梁進行固結，邊墩可設置支座或固結。根據兩邊墩支承形式，考慮的方案主要有以下幾種：

(1)蓋梁與三個墩柱均采取固結；

(2)蓋梁與中墩及右側墩柱固結，左側墩柱支座鉸接支承；

(3)蓋梁與中墩及左側墩固結，右側墩柱支座鉸接支承；

(4)蓋梁與中墩固結，兩側墩柱支座鉸接支承。

2.2 結構有限元模型及計算參數取值

采用橋梁博士V3.6分別建立以上四種方案的有限元計算模型進行結構分析。

(1)樁-土作用模擬

在對門架墩進行計算時，由于蓋梁、墩柱與樁基相互之間為固結聯系，三者的內力及位移相互影響，往常的有限元計算常常對柱底進行固結來處理樁基，但當地質條件較差時會給計算結果帶來一定的偏差。本橋2#橋墩處地表以下0～17 m為粘土層，其下為中風化灰巖，樁基嵌入中風化灰巖內，為保證結構計算的精確度，結構計算時應考慮樁基的剛度影響，對樁-土之間的相互作用進行模擬。樁-土作用效應模擬的主要方法有：①不建立樁基的結構單元，通過m法計算出樁基的等效剛度施加于墩柱底部；②建立蓋梁、墩柱、樁基的整體化結構模型，通過m法計算出地基的彈性系數后等效為彈性約束模擬地基土的水平抗力，通過施加節點作用力模擬樁基的摩阻力。本文采用第二種方法進行結構計算，對粘土層中樁基通過m法計算出地基的彈性系數進行模擬，由于中風化灰巖處樁身已不承受彎矩，在進入中風化灰巖處對樁底進行固結。

(2)荷載參數選取

梁體自重及二期恒載根據上部結構計算結構直接施加于蓋梁頂支座處。

上部結構通過設置自重為0的虛擬單元進行模擬，單元尺寸按端橫梁的高度、寬度取值，橋面虛擬單元與蓋梁單元采用主從約束進行連接，汽車荷載通過在橋面單元上橫向加載進行計算，橫向車輪荷載=沖擊系數×[(小樁號側橋孔長度+大樁號側橋孔長度)×均布荷載/2+集中荷載(按兩側較大跨徑計)×1.2]。

2.3 蓋梁、墩柱受力分析

通過計算可得，恒載及活載作用下蓋梁及墩身彎矩如表1、表2所示。

表1 恒載及活載作用下蓋梁彎矩/KN·m

表2 恒載及活載作用下墩身彎矩/KN·m

通過對表1、表2中計算結果進行對比分析可以得出以下結論。

(1)蓋梁彎矩主要由2#跨跨中及2#墩墩頂截面控制，方案三、方案四較方案一、方案二蓋梁上緣彎矩相近，但下緣彎矩承受的彎矩要大出約25%，考慮到蓋梁截面尺寸較大且為預應力結構，可通過適當調整鋼束、鋼筋數量來滿足承載力及應力指標要求。

(2)方案一、方案二墩身承受的彎矩非常大，需對其承載力及裂縫寬度進行驗算。通過計算可得方案一、方案二右墩墩身承載力在恒、活載作用下富余量不足5%，裂縫寬度分別達到0.248 mm、0.22 mm，不滿足規范裂縫寬度0.2 mm的限值要求。考慮到墩柱為主要的承重結構且可能會承受車輛撞擊、地震等偶然荷載的作用，應優先考慮其安全性，因此排除采用方案一、方案二。

(3)方案四與方案三蓋梁及墩身彎矩較為接近，但方案三有兩個墩柱固結，門架墩整體的穩定性較好，采用方案三對本橋門架墩進行設計。

2.3 蓋梁預應力鋼束設計

根據有限元模型按A類預應力混凝土構件對蓋梁進行配束，綜合考慮蓋梁承載能力極限狀態下的承載力及正常使用狀態下的應力指標，最終確定蓋梁共布置19根17-Φs15.2低松弛高強鋼絞線，鋼束錨下張拉控制應力為1 395 MPa，預應力鋼束布置如圖1所示。

圖1 蓋梁預應力鋼束布置圖

由于蓋梁受力分為蓋梁施工、梁體吊裝、橋面鋪裝、成橋運營等多個階段，施工過程中各階段所受的外部荷載也有所不同，對于本橋預應力蓋梁而言，若在蓋梁澆筑完成后張拉全部預應力鋼束，該階段中墩墩頂處蓋梁上緣壓應力為21.5 MPa，2#跨跨中上緣拉應力為3.6 MPa，下緣壓應力23.0 MPa，不滿足混凝土抗壓及抗裂的要求，因此預應力鋼束應結合受力情況進行分批張拉，確保施工各階段蓋梁上下緣應力滿足規范要求。

經過反復核算，最終確定蓋梁預應力鋼束張拉順序按N4→N2→N3→架梁→N1→N5→橋面系進行施工，橋梁施工過程中蓋梁未出現裂縫。

3 結 論

(1)門架墩作為一個框架結構，下部結構對蓋梁的受力影響較大，在計算分析時應將蓋梁、墩柱、樁基進行整體建模。

(2)對于三柱式門架墩，蓋梁與墩柱固結處墩身截面所受的彎矩非常大，往往對整個門架墩的設計起控制作用，可通過采用支座支承的方式進行彎矩釋放，避免墩身裂縫寬度過大，設計過程中應根據各支承形式下蓋梁、墩柱的受力情況進行比選。

(3)蓋梁預應力鋼束的張拉順序應充分考慮上部結構的施工工序，必要的情況下分批次張拉，避免蓋梁出現裂縫或者受壓破壞。