城市高架橋雙柱花瓶墩設計及計算案例分析

肖溢華 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著我國人民生活水平的提高以及城市的快速發展，城市道路交通量越來越大，某些大城市因為用地限制等諸多因素，原有道路拓寬改造困難，城市高架橋的出現，很好地解決了這一問題，既節約了用地空間，又很好地解決了交通擁堵等問題，且城市高架相較于隧道等地下結構，既可以大大節省工程造價，又能縮短建設周期。

隨著城市高架橋梁建設的日趨成熟，其上下部結構形式在滿足受力要求的基礎上，還要兼顧景觀效果，故花瓶墩在城市高架橋中的應用越來越多。對于城市高架中的整體式主線橋，雙柱花瓶墩在墩頂向兩側弧形擴頭，一方面加大了支座間距，受力合理；另一方面占用地面空間少，空間利用率高。

2 花瓶墩受力特點

橋墩主要承受上部結構傳遞下來的荷載，主要包括上部結構恒載、汽車活載、風荷載和溫度荷載等，對于連續梁結構，還包含支座不均勻沉降荷載等。花瓶墩墩柱主要承受通過支座傳遞下來的豎向力，花瓶墩由于在墩頂向兩側弧形擴頭，所以豎向力往往不在墩柱形心，因此在豎向力作用下，墩柱會產生彎矩，且在橫橋向風荷載、離心力，順橋向制動力、摩阻力等水平力的作用下，墩柱在順橋向及橫橋向均產生彎矩，故墩柱可按照雙向偏心受壓構件進行驗算。對于有系梁的雙柱式花瓶墩，因系梁主要承受軸向拉力和彎矩，故系梁可按照拉彎構件進行驗算。

3 案例分析

3.1 工程概況

本文依托項目為合肥市包公大道工程，西起二十埠河，東至龍興大道，全長約15.5km，規劃為城市快速路。橋梁工程包括11.7km主線高架及三座互通立交。本文選取標準跨徑3m×30m預應力混凝土連續梁橋下部結構中墩作為研究對象。

3.2 下部結構橋墩設計方案

3.2.1 墩柱形式方案比選

根據上部結構的受力、外形特點并兼顧景觀效果，高架橋下部結構一般采用柱式、板式、T型、Y型等樣式的橋墩。包公大道主線高架采用整體式斷面，橫向雙向六車道，高架橫斷面全寬25m，根據主梁橫斷面尺寸，主線跨線橋標準橋墩必須采用雙柱式，因此本項目橋墩設計主要針對不同墩柱形式展開，按照前述原則選擇一個與上部結構和整體環境協調的橋墩形式。通過比選，雙柱花瓶式橋墩較為通透，流線形的橋墩頂部與上部結構魚腹式混凝土梁曲線自然順暢過渡，上下呼應，適當的線形收腰富有變化和創新，外側設置圓弧倒角使墩柱顯得輕盈活潑，與上部結構協調較好。故主線整體式標準斷面采用雙柱花瓶式橋墩。

3.2.2 結構尺寸設計

主線橋標準橋墩采用鋼筋混凝土雙柱花瓶式橋墩，墩柱為矩形截面，墩柱底截面順橋向尺寸為1.8m，橫橋向尺寸為1.7m，墩柱頂部縱向擴頭，標準段中墩頂截面順橋向尺寸為1.8m，橫橋向尺寸為2.2m。根據道路綠化帶寬度，在預留足夠的側向安全凈寬的基礎上，標準段雙柱墩的柱間距為5.3m。標準跨徑橋墩基礎主要采用4根直徑1.6m鉆孔灌注樁。下部結構橋墩詳細構造見圖1所示。

圖1 橋墩構造圖

3.2.3 橋墩支座間距設計

下部結構支座間距布置，對橋梁上下部結構的受力計算至關重要。對上部結構抗傾覆設計來說，較大的支座間距有利于提高抗傾覆系數，使橋梁上部結構抗傾覆安全儲備增大。但是較大的支座間距，需要較大的柱間距，因此地面道路需要預留足夠寬度的綠化帶空間以便布置橋墩，這又不利于橋下地面道路空間的利用。且不同的支座間距，墩柱受力也將不同。因此在設計中，往往不能無限制增大支座間距，而應該選取合適的支座間距，使橋梁結構受力合理，且能有效利用橋下地面空間。

針對本項目的實際情況，初擬了三種支座間距，分別為5.3m、6.0m以及6.7m。通過計算在不同支座間距下，墩柱的受力情況以及上部結構的抗傾覆系數，從而選取較為有利的支座間距。

下部結構采用橋梁博士（版本號4.2）軟件進行計算，墩柱與系梁之間采用剛臂連接。上部結構恒載通過支座反力以集中力的形式作用在對應的支座位置，上部結構活載通過建立虛擬橫梁，模擬活載橫向布置，虛擬橫梁與墩柱之間在支座對應位置采用主從約束連接，由于本文主要研究對象為墩柱，故計算模型未考慮承臺和樁基部分。計算模型如圖2所示（虛擬橫梁未顯示）。

圖2 墩柱計算模型

通過改變支座間距，計算得到了不同支座間距下，墩柱與系梁連接處墩柱彎矩M1、墩柱底截面彎矩M2、墩柱底截面最大軸力F、系梁最大正彎矩ML(+)、系梁最大負彎矩ML(-)以及上部結構抗傾覆系數Q等參數如下表所示。

不同支座間距下參數表

由上表可知，隨著支座間距增大，墩柱與系梁最大彎矩先減小再增大，支座間距為6.0m時，墩柱與系梁最大彎矩均較小；隨著支座間距增大，抗傾覆系數線性增大，但是墩柱最大軸力基本保持不變。綜上，選擇6.0m支座間距時，墩柱與系梁受力較為合理，故本項目標準段下部結構支座橫向間距為6.0m。

3.3 墩柱配筋驗算

在上述模型的基礎上，考慮墩柱縱橫向水平力后計算得到的墩柱內力結果即可作為配筋驗算設計值。橋梁下部結構所承受水平力主要包括摩阻力，制動力，溫度力，混凝土收縮徐變引起的水平力，風荷載，曲線橋離心力以及縱橫向地震力等。在上述水平力及上部結構傳遞下來的豎向力的共同作用下，墩柱受力模式為雙向偏心受壓構件。通過建模計算，本算例在荷載基本組合下，墩柱最大橫橋向彎矩為14106.1kN·m，墩柱最大順橋向彎矩為7697.8kN·m，墩柱最大豎向軸力為22974.3kN。系梁最大彎矩為7919.3kN·m，系梁最大豎向剪力為3591.8kN，系梁拉桿最大拉力為2014.8kN。根據計算結果，墩柱配筋采用雙層直徑28mm豎向主筋沿墩柱截面四周均勻布置，布置間距約10cm；墩柱箍筋采用直徑12mm鋼筋（標準段）或直徑16mm鋼筋（擴頭段），箍筋肢數為8肢。系梁頂面主筋采用三層直徑28mm鋼筋均勻布置，系梁底面主筋采用單層直徑28mm鋼筋均勻布置，布置間距約10cm，系梁箍筋采用直徑12mm鋼筋，箍筋肢數為6肢。

4 結語

隨著橋梁建設的快速發展，橋梁景觀要求越來越重要，并且隨著城市現代化飛速發展，高架橋建設日趨常態化，橋梁設計工作者將面臨各種樣式的花瓶墩的設計計算。本文依托實際工程，從尺寸設計，支座間距選取及配筋驗算等方面，對花瓶墩的構造設計提供了一些參考。