橫向偏心橋墩的設計探討

肖 春，錢治杭，李 杰

（1.中恒工程設計院有限公司，四川 成都610017；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司成都分公司，四川 成都610017；3.核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都610065）

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，城市高架橋因具有占地少、受周邊交通干擾小等優點，對緩解城市交通壓力起到很大作用，已成為現代交通體系中重要的一環。城市高架橋的橋墩布置不僅要考慮高架橋本身的需求，還需兼顧橋下道路凈空以及整體景觀需求。當高架橋中心線與橋下道路分隔帶中心線不重合，或橋墩布設受河道、地鐵、管線等限制時，采用橫向偏心橋墩是一種有效的辦法。

橫向偏心橋墩在國內已有應用案例。李林[1]在重慶市輕軌工程設計過程中，在輕軌線路跨越較窄道路時采用了大偏心預應力拉桿式倒L形墩，橋墩的最大凈偏心距為2.75 m。林曜滄等[2]對臺灣國道1號五股楊梅段拓寬工程泰山收費站至林口段，上、下層均采用大偏心獨柱的橋墩進行了設計與靜、動力分析，同時對柱內配置的H型鋼和預應力鋼鍵作了進一步分析與探討。劉大慶等[3]在成都市二環路高架橋成溫立交C匝道采用了偏心受力較大的倒L形橋墩，對該橋墩進行了計算分析及結構設計。姚莉[4]針對南方某沿海城市快速路下行匝道的預應力混凝土偏心橋墩，分析了以現澆連續箱梁作為上部結構部件時該橋墩的受力特點，得到了一些對預應力混凝土偏心橋墩設計有用的分析方法和結論。

1 工程概況

鳳凰山高架橋工程全長約7.7 km，是成都市城北片區重要的快速放射線。高架橋在ZX22#～ZX62#橋墩之間1147 m范圍內采用雙層橋面，上層橋面通行雙向2車道的BRT車道，下層橋面通行雙向4車道社會車輛，橋墩采用雙層橋墩[5]。

受三環路內側BRT車輛停保站的影響，ZX49#上層橋墩采用橫向偏心墩，偏心距為1.55 m。該橋墩為第16聯與第17聯的分聯墩，上層橋面第16聯采用（2×21+22）m跨徑的三角異形鋼箱梁，第17聯采用（30+26）m鋼箱梁，上部結構的標準寬度為9.5 m，橫斷面如圖1所示。

圖1 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

2 上層橋墩構造

2.1 橋墩一般構造

ZX49#橋墩為雙層橋墩，下層蓋梁長22.85 m，頂寬2.4 m，中心高2.5 m，蓋梁頂設1.5%雙向橫坡。主墩墩身截面尺寸為7.0 m×1.8 m，邊緣的圓弧倒角半徑0.2 m，橫橋向表面設下凹3.0 m×0.2 m的裝飾槽；輔墩墩柱截面尺寸為1.5 m×1.8 m，邊緣的圓弧倒角半徑0.2 m，橫橋向設表面下凹0.5 m×0.1 m的裝飾槽；墩身外側自立柱底至蓋梁頂設落水管槽口，槽深0.275 m。

上層采用偏心橋墩，蓋梁頂寬2.4 m，中心高2.2 m，長10.196 m，蓋梁頂設1.5%雙向橫坡，墩柱截面尺寸為2.2 m×1.8 m，邊緣的圓弧倒角半徑為0.2 m，橫橋向表面設下凹0.5 m×0.1 m的裝飾槽，墩身與蓋梁在縱、橫橋向均采用圓弧過渡連接。墩柱外側自立柱底至蓋梁頂留落水管槽口，頂口尺寸為0.25 m，底口尺寸為0.23 m，槽深0.225 m，其構造圖如圖2所示。

圖2 ZX49#上層橋墩一般構造圖（單位：cm）

2.2 上層橋墩預應力構造

上層墩柱、蓋梁均采用A類預應力混凝土構件，預應力采用低松弛高強度鋼絞線，其抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，公稱直徑d=15.2 mm。墩柱預應力采用4束15-13鋼絞線，蓋梁預應力采用4束15-15鋼絞線，均采用單端張拉，預應力構造如圖3所示。

圖3 ZX49#上層橋墩預應力構造圖（單位：cm）

為保證外觀、避免突兀，往往在構件內設置預應力張拉端槽口，此構造需截斷槽口處的普通鋼筋從而導致截面削弱。為避免張拉端槽口截斷蓋梁頂的普通鋼筋，采用在上層橋墩的蓋梁頂設置凸出塊作為墩柱鋼束的張拉端，凸出塊尺寸為2.4 m（長）×0.5 m（寬）×0.3 m（厚），且由于凸出塊頂部為鋼箱梁，其設置不會影響蓋梁的整體外觀。

2.3 技術標準

（1）設計車速：BRT專用匝道40 km/h。

（2）設計荷載：城-A級。

（3）抗震等級：地震基本烈度為7度。

2.4 主要材料

墩柱、蓋梁均采用C50混凝土，承臺采用C35混凝土，樁基采用C35水下混凝土。上層墩柱及上層蓋梁內的普通鋼筋均采用HRB400鋼筋。

3 上層橋墩計算分析

3.1 計算模型

3.1.1 單元節點劃分

采用Midas Civil程序對上層橋墩進行結構分析及驗算，將墩柱劃分為18個梁單元，將蓋梁劃分為22個梁單元，計算模型如圖4所示。

圖4 上層橋墩有限元模型

3.1.2 模型的邊界條件

與上層橋墩墩底對應的下層墩柱為7.0 m×1.8 m的實心截面，且下層橋墩的基礎、墩柱、蓋梁截面尺寸均較大，因此在上層橋墩的底部施加固結約束作為邊界條件。

3.1.3 上層墩柱截面的等效截面

上層墩柱在縱、橫橋向設置的槽口及矩形長、短邊之間的圓弧倒角將對截面造成削弱，為便于計算，將墩柱截面等效為寬度為b、高度為h的矩形截面，如圖5所示。

圖5 墩柱等效截面示意圖

等效矩形截面可采用面積等效或抗彎慣性矩等效[6-7]，據此原則提出如下2種等效方案。

等效方案一：等效截面的面積A、橫橋向抗彎慣性矩Iyy與實際截面相等；

等效方案二：等效截面的橫橋向抗彎慣性矩Iyy、縱橋向抗彎慣性矩Izz與實際截面相等。

實際墩柱截面的面積A=3.737 7 m2，橫橋向抗彎慣性矩Iyy=1.451 7 m4，縱橋向抗彎慣性矩Izz=0.985 1 m4。

根據方案一的等效原則，得到式（1）：

求解可得：

根據方案二的等效原則，得到式（2）：

求解可得：

根據b1、h1、b2、h2值，可得等效矩形截面的特性值見表1。

表1 墩柱截面特性表

從表1可看出，等效方案一截面的Izz相對誤差為5.2%，等效方案二截面的A值相對誤差為1.3%，二者的相對誤差均可滿足工程的精度要求。考慮到上層橋墩的主要受力方向為橫橋向，與面積A、橫橋向抗彎慣性矩Iyy的相關性較大，而與縱橋向抗彎慣性矩Izz的相關性較小，故采用等效方案一進行截面等效。

3.1.4 施工步驟

上層橋墩共分為5個施工步驟（見表2）。

表2 上層橋墩施工步驟表

3.1.5 計算荷載

（1）結構自重：鋼箱梁自重γ=78.5 kN/m3，瀝青混凝土自重γ=24 kN/m3，單側防撞護欄自重取為12.5 kN/m。

（2）預加力：預應力張拉控制應力均采用0.7fpk=1 302 MPa，均采用單端張拉。

（3）汽車荷載：城-A級，按雙車道加載。

（4）收縮徐變：按規范[8]的規定取值，環境年平均相對濕度取80%。

（5）體系溫度作用：整體升溫20℃，整體降溫-20℃。

3.2 上層橋墩驗算結果

3.2.1 蓋梁正截面抗彎驗算

持久狀況承載能力極限狀態下，上層蓋梁為受彎構件，其最大彎矩值為19 527.3 kN·m，小于其對應的彎矩抗力值27 543.8 kN·m，滿足規范[8]第5.2.2條要求。

3.2.2 墩柱正截面抗壓驗算

持久狀況承載能力極限狀態下，上層墩柱為大偏心受壓構件，其最大軸力設計值為9 014.8 kN，小于其對應的軸力抗力值12 694.2 kN，滿足規范[8]第5.3.5條要求。

3.2.3 使用階段抗裂驗算

上層墩柱在正常使用極限狀態短期、長期組合下，截面上、下緣的最小正應力見表3，均滿足規范[8]要求。

表3 上層橋墩蓋梁、墩柱正截面抗裂驗算表

作用短期組合下，蓋梁截面的最大主拉應力為-0.6 MPa，墩柱截面的最大主拉應力為-0.54 MPa，均小于容許值0.5ftk=-1.33 MPa，均滿足規范[8]第6.3.1條要求。

3.2.4 其他驗算結果

蓋梁、墩柱截面的抗剪承載力、使用階段正截面及斜截面的壓應力、使用階段鋼束應力、施工階段各截面應力、蓋梁撓度等均滿足規范[8]要求，此處不一一列出。

4 結語

本文介紹了鳳凰山高架橋ZX49#偏心橋墩的設計及計算分析，得到以下主要結論：

（1）城市橋梁受周邊條件限制往往結構復雜，采用預應力偏心橋墩是一種可行的解決方案。

（2）上層橋墩墩柱為異形截面，通過對面積A+橫橋向抗彎慣性矩Iyy、橫橋向抗彎慣性矩Iyy+縱橋向抗彎慣性矩Izz等2種等效矩形截面進行比選，發現二者均可滿足工程的精度要求。考慮到上層橋墩主要受力方向為橫橋向，與縱橋向抗彎慣性矩Izz的相關性較小，故采用面積A+橫橋向抗彎慣性矩Iyy等效的方式來確定等效矩形截面。

（3）本橋墩的實施過程十分順利，上層墩柱預應力施工如圖6所示。目前鳳凰山高架橋已通車運營2年有余，ZX49#橋墩的整體狀況良好，上層橋墩的運營照片如圖7所示。示本偏心橋墩的設計經驗可為今后類似的結構設計提供參考。

圖6 上層墩柱預應力定位

圖7 上層橋墩運營照片