倒T型蓋梁柱式墩設計方法綜述

郭允飛

(江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，中國城市面貌也煥然一新，城市規模不斷擴大、城市人口日益增加，相應的衍生了城市出行遠距離化、高峰期擁堵化的問題，因此便捷、高效的出行方式逐漸成為緊迫的民生訴求，這就要求城市交通需要以滿足出行差異化為目標，加快朝著立體化交通體系發展方向邁進。

高架橋是實現城市交通立體化發展的有效手段之一，由于其地面輔路可滿足常規出行需求，高架橋可滿足遠距離快速化出行需求，實現了不同出行需求的空間分離，大大提高了出行效率，同時由于其占地規模相對較小，建筑結構相對宏偉，對提高城市整體形象亦具有積極作用，因此近年來在城市交通建設中逐漸增多。

常規高架橋下部結構型式有柱式墩和蓋梁柱式墩，柱式墩多用于上部結構有整體式橫梁的結構，一般為現澆箱梁，由于現澆箱梁施工周期長、環境影響大，在建設條件受限的地方往往不能成為推薦方案。蓋梁柱式墩上部結構一般為多片梁的橋梁結構，實際工程中上部結構多采用預制拼裝結構，如小箱梁、板梁、T梁，因此其施工周期較短，造價較為經濟，對周圍環境的影響也相對較小。但受建設條件的限制，橋墩蓋梁懸臂一般都較大，為滿足受力需要，蓋梁需要較大的截面高度，早期蓋梁截面一般為矩形、L形，由于截面高度較大，外觀效果一般，在城市高架橋中的應用受到限制。倒T型蓋梁，將蓋梁一部分高度隱藏于上部結構中，不僅改善了橋梁外觀，而且有效降低了橋梁高度，節約了建設成本，由于其較為顯著的經濟技術優勢，使得其被廣泛應用于城市高架橋建設中[1]。

相較于柱式墩，倒T型蓋梁柱式墩不僅在受力上變得復雜，而且其構造尺寸還需與上部結構相協調，隨著工程應用的增多，倒T型蓋梁的設計建造取得了重要的技術積累。文獻[2]依托具體設計項目，對倒T蓋梁的設計方法及要點進行了總結，并提出了常規的設計流程;文獻[3]對倒T蓋梁進行施工階段及運營階段的受力分析，得出了梁單元模型與實體模型計算的蓋梁應力水平總體相當；文獻[4]對倒T型蓋梁預制安裝方案進行了研究;文獻[5]針對倒T蓋梁每個橋墩兩條縫的特點，重點對橋面連續進行了受力分析，并提出了跨縫材料采用彈性混凝土能有效降低橋面連續彎曲應力，改善跨縫處混凝土性能，并能有效限制混凝土裂縫開展，延長結構使用壽命。

在倒T型蓋梁已有研究成果的基礎上，本文以無錫某干線公路快速化改造項目為依托，對設計中遇到的關鍵技術問題進行了重點分析，并提出了一般性的解決方案，以期為倒T型蓋梁的技術積累作出貢獻，并為同類工程的設計提供參考。

無錫某干線公路快速改造方案采用高架橋型式，設計標準采用一級公路兼城市快速路，設計速度為80 km/h。高架橋上部結構采用裝配式預應力混凝土簡支小箱梁，下部結構采用倒T型蓋梁柱式墩。高架橋標準橫斷面如圖1所示，其中橋面寬33 m，共布置10片預制小箱梁，小箱梁間距3.3 m，立柱中心距離8 m，蓋梁單側最大懸臂長12.5 m；基礎采用整體式承臺群樁基礎，樁基直徑為1.5 m，共8根呈梅花形布置。

1 橋墩基礎形式設計

高架橋橋幅較寬，橋下基礎受地面輔道限制僅能設置在輔道中分帶內，由于中分帶寬度受用地紅線等因素影響一般不會太寬，因此在進行高架橋基礎形式選擇時，往往采用整體式的承臺群樁基礎，如圖1所示，這樣可以保證承臺不侵入或少侵入輔道路基范圍，從而避免輔道路基不均勻沉降導致路面開裂問題。

大承臺群樁基礎，剛度較大，對承臺上立柱的橫向變形約束較強。當立柱高度較高時，由于立柱線剛度相對較小，因此立柱對蓋梁的作用以豎向支撐為主，對蓋梁的彎矩分布影響不大，隨著立柱高度的不斷增高，這種效用會愈加顯著。但當立柱高度較矮時(一般在高架起終點落地處)，由于其線剛度顯著增加，立柱對蓋梁的作用將不再以豎向支撐為主，其不僅對蓋梁的彎矩分布影響較大，同時在整體升降溫以及收縮徐變作用影響下，立柱將對蓋梁產生較大的軸向力，蓋梁在立柱之間部分由主要以受彎為主的梁式構件轉變為偏心受壓(受拉)構件，蓋梁應力指標較難控制，計算不易通過；同時橋墩立柱由于承擔較大的彎矩，其開裂問題較為顯著，往往需要加大立柱配筋來控制裂縫寬度，造成立柱配筋指標較高。

針對矮墩的問題，需要減小整體式承臺對立柱的橫向約束，其理論依據是通過改變立柱的邊界約束條件以達到改變其線剛度的目的。有效的做法是，將整體式承臺改為分離式承臺，則立柱的橫向約束主要由樁基與地基土之間彈性壓縮提供，相較于剛性承臺約束，此種方式將大大弱化立柱根部的橫向約束作用，計算結果表明，此種情況下，立柱與蓋梁受力均較為合理，其受力狀態均得到較大改善。采用分離式承臺后，承臺一般會超出中分帶范圍侵入輔道路基，此時可通過加大承臺埋深解決地基沉降差問題。分離式承臺如圖2所示，其中立柱分別支撐在獨立的承臺樁基礎上，單個基礎采用4根直徑1.5 m樁基。

2 邊墩與蓋梁的連接方式設計

高架橋在橋面加寬處，需要設置邊墩，以改善蓋梁受力，避免蓋梁因懸臂長度過長導致計算不易通過的情況。通常情況下，主墩立柱與蓋梁之間采用墩梁固結方式，以保證蓋梁的穩定性，邊墩與蓋梁的連接方式往往需要結合結構受力與后期維護等方面來綜合比選確定，一般邊墩與蓋梁的連接采用支座或墩梁固結兩種方式。單側加寬及雙側加寬橋墩分別如圖3，圖4所示。

2.1 邊墩與蓋梁固結的受力特點分析

邊墩立柱與蓋梁采用固結方式，增加了橋墩結構的超靜定次數，使得橋墩結構的受力更為復雜，由鋼束二次力、溫度作用、收縮徐變作用引起的橋墩結構的附加效應較為顯著。但邊墩采用墩梁固結方式，使得橋墩的整體設計原則和外觀風格保持了統一，同時也避免了后期支座維護與更換的煩瑣過程，對簡化施工工序、降低后期維護成本較為有利。

為使邊墩立柱與蓋梁之間采用固結方式切實可行，需要采取措施弱化高次超靜定引起的附加效應的影響。一般有效的做法是減小邊墩的橫橋向剛度，具體的措施有：

1)優化樁基布置形式減小基礎的橫橋向剛度，一般邊墩樁基橫橋向布置排數不宜超過2排，在滿足受力情況下，優先選用單排樁基布置形式。

2)減小邊墩立柱尺寸，增加邊墩柱高。

考慮到邊墩柱高由高架橋縱斷面高程與基礎埋深確定，若單純為增加柱高而采取抬高縱斷面高程或加大基礎埋深，將顯著增加工程造價，為欠合理方案，設計中一般不予采納。同時在設計中，采取的邊墩尺寸一般與主墩尺寸差異不大，避免同一橋墩立柱尺寸差異過大而引起視覺上的突變，增加感官上的不安全性；根據測算，邊墩對附加效應更為敏感，往往橫橋向邊墩的受力較主墩更為不利。因此通過采取減小邊墩立柱尺寸、增加柱高的方式來減小邊墩剛度的措施，在設計中可操作的空間有限。

綜合以上分析，邊墩立柱與蓋梁采用固結方式，適用于邊墩柱高較高的情況，當柱高較矮時不宜采用。同時當蓋梁懸臂較長時，邊墩在溫度作用與收縮徐變作用下，立柱開裂較難控制，此時不宜采用固結方式，應采用支座連接，以有效釋放溫度(收縮徐變)應力。

2.2 邊墩與蓋梁支座連接的受力特點分析

邊墩與蓋梁采用支座連接方式，相對于墩梁固結方式，力的傳遞與分配路徑更為簡潔明確，通過采取橫橋向單項滑動支座，可以有效釋放溫度作用、收縮徐變作用引起的結構附加效應，結構的受力行為相對簡單。但邊墩采用支座連接方式，增加了橋墩立柱種類，且支座在運營期需要維護與更換，增加了施工工序及后期維護成本；同時由于主墩和邊墩因連接形式不同容易造成順橋向剛度差，從而引起順橋向水平力的不均勻分配，會增加主墩順橋向受力負擔。

2.3 邊墩與蓋梁之間連接形式的選擇

綜合以上邊墩與蓋梁兩種連接形式的力學特性分析，固結方式較支座連接具有一定的經濟優勢，但在受力合理上要求墩高不能過矮、邊墩與主墩間距不應過大。鑒于高架橋變寬段一般位于匝道分合流位置附近，因此墩高容易保證；主墩與邊墩的間距受側分帶位置控制，根據測算若采用邊墩與蓋梁固結方式，主墩與邊墩的間距不宜超過20 m，根據工程經驗，這一條件絕大多數情況下均能得到滿足。因此建議在項目設計中優先采用邊墩與蓋梁固結形式，對于個別特殊節點可采取特殊設計方案。

邊墩與蓋梁的連接方式可一般的采用如下原則確定，如表1所示。

表1 邊墩與蓋梁連接形式選取表

3 倒T型蓋梁設計

3.1 蓋梁斷面尺寸設計

蓋梁結構設計需要綜合考慮受力需要與構造措施兩個方面。受力上，蓋梁懸臂根部截面承受較大的剪力與負彎矩，此效應隨著截面遠離懸臂根部而逐漸減弱，因此懸臂根部為設計控制截面；蓋梁牛腿直接承受上部結構荷載，為荷載傳遞的關鍵節點，需保證其具有足夠的強度能夠可靠的傳遞上部結構支反力。構造上，蓋梁肋寬需滿足鋼束布置及錨固需要，同時為使橋面鋪裝受力更為有利，肋寬取值一般不宜過小；肋高由小箱梁高度與支撐系統高度之和確定；牛腿寬度由抗震構造措施確定，根據JTG/T 2231-01—2020公路橋梁抗震設計規范[6]，簡支梁和連續梁橋上部結構梁端至蓋梁邊緣的最小距離a(cm)應滿足：

a≥Max[50+0.1L+0.8H+0.5Lk,60]

(1)

其中，L為上部結構一聯聯長，m；H為一聯橋墩平均墩高，m；Lk為一聯上部結構最大單孔跨徑,m。

根據以上受力與構造要求，經過測算，本項目標準段蓋梁截面尺寸如圖5所示。其中，蓋梁寬320 cm，牛腿寬95 cm，肋寬130 cm，肋高185 cm，蓋梁根部截面高435 cm，懸臂端高320 cm，截面高度按線性變化。

3.2 邊墩處蓋梁襟邊尺寸設計

蓋梁長度一般由橋面寬度與邊墩位置確定，當邊墩在橋面寬度以外時，蓋梁需要延伸至邊墩處，對于蓋梁延伸長度需要根據具體情況區別對待。

當蓋梁與邊墩固結時，蓋梁需要延伸至邊墩外一定距離，如圖6所示，其襟邊長度c(cm)應能保證伸入蓋梁的立柱主筋與蓋梁端部錨具不至沖突。c值按下式確定：

c≥d+l-as

(2)

其中，d為張拉端槽口深度，cm；l為錨墊板長度，cm；as為立柱最外排主筋外側至立柱表面距離，cm。

當蓋梁與邊墩支座連接時，在滿足支座布置空間條件下，出于美觀考慮，一般蓋梁邊與立柱邊平齊設計，如圖6所示。

3.3 蓋梁擋塊設計

蓋梁擋塊與邊梁之間間隙，設計中一般按5 cm左右考慮，如圖7所示。實際工程中，存在箱梁軸線與蓋梁軸線不垂直的情況，此時若擋塊仍然按垂直于蓋梁軸線設置，則擋塊內邊線與箱梁軸線之間存在夾角，如圖8所示，則在施工架梁時，擋塊與邊梁之間間隙將被壓縮，甚至出現邊梁與蓋梁位置沖突的情況，給施工落梁造成困難，而這一點在設計中往往不能引起設計師的足夠重視。經過測算，在擋塊與箱梁之間夾角超過3°時，擋塊與邊梁之間將出現位置沖突，因此在設計中針對此種情況應引起重視，一般常見的處理方式是將擋塊內邊按平行于邊梁軸線設置。

3.4 蓋梁計算

蓋梁按A類預應力混凝土構件設計，計算模型可采用桿系單元模擬，考慮的作用有自重、上部結構恒載、預應力荷載、汽車荷載、均勻升降溫以及豎向溫度梯度。對于是否考慮梯度溫度作用，一般有不同的理解，考慮到倒T型蓋梁肋寬部分與上部結構小箱梁處于相同的日照環境，其截面存在豎向溫度不均勻分布的現實基礎。為驗證豎向梯度溫度作用對蓋梁受力的影響程度，分別選取本項目中標準段及非標準段蓋梁進行建模分析，模型中其他條件均相同，僅考慮梯度溫度作用施加與否兩種工況，分析在作用的頻遇組合下蓋梁上下緣最小正應力及主拉應力的分布情況，計算結果見表2。分析結果表明，梯度溫度作用對蓋梁受力的影響不容忽視，對于非標準段蓋梁，由于結構冗余約束的增多，這一影響會愈加顯著。

表2 蓋梁計算結果 MPa

模型的邊界條件，應模擬地基土對樁基礎的彈性約束作用，以適應橋墩內力分布受基礎剛度影響較大的特點。若采用立柱根部固結約束，由于與實際邊界條件的差異，會導致蓋梁與立柱內力分布與實際受力情況存在較大偏差。

蓋梁牛腿作為直接承受并傳遞上部荷載的關鍵節點，應滿足節點強度大于構件強度的要求。牛腿的計算方法為，在牛腿有效分布寬度內，考慮上部結構最不利作用組合的支反力，分別對其豎直截面、最弱截面、45°斜截面進行強度驗算，并滿足要求[7](見圖9)。牛腿有效分布寬度按下式計算：

b1=b+2e

(3)

其中，b1為牛腿有效分布寬度；b為墊石寬度；e為支座中心至牛腿根部距離。

4 過渡墩設計

倒T型蓋梁柱式墩，受其上部結構跨越能力的限制，一般僅適用于單孔跨徑不超過40 m的橋梁結構，當高架橋跨越重要交叉口節點、等級航道時，往往需要采用其他跨越能力較大的橋梁結構，一般常用的有變截面連續箱梁或連續鋼箱梁。

對于兩種橋梁結構之間的過渡墩設計，需要根據其受力特點合理選擇最優結構形式。常規的設計方案主要有：

1)倒T型蓋梁柱式墩。

選用倒T型蓋梁柱式墩，保持了主要構造物設計風格的統一，但由于大跨結構一般采用較少的支座個數，所以其支反力較大，使得蓋梁的牛腿計算往往不能通過，成為構件的薄弱節點，限制了其使用范圍。一般在大跨結構采用多片連續鋼箱梁，支反力不至很大時，可以采用倒T型蓋梁柱式墩，但此時往往需要加強蓋梁牛腿配筋。

2)L型蓋梁柱式墩。

L型蓋梁柱式墩，是對倒T型蓋梁柱式墩的優化，將大跨橋梁結構直接支撐在橋墩立柱上，從而避免牛腿傳力的不利因素。但L型蓋梁為截面非對稱結構，在非對稱荷載作用下，蓋梁懸臂根部將產生較大的扭轉效應，成為彎矩、剪力、扭矩共同作用的復雜受力節點，同時橋墩立柱為滿足支撐空間要求，往往需要較大的截面尺寸，使得橋墩結構整體外觀一般。因此L型蓋梁柱式墩作為過渡墩的設計方案，理由往往不夠充分，在采取可靠措施保證蓋梁受力可靠情況下，可以采用此方案(見圖10)。

3)矩形蓋梁柱式墩。

矩形蓋梁柱式墩，避免了倒T型蓋梁牛腿傳力的不利因素，也避免了L型蓋梁受力復雜的特點。由于其截面高度不再部分隱藏于上部結構中，為滿足受力要求，蓋梁截面尺寸需要加大，但矩形蓋梁有較大的鋼束布置空間，在提高配束指標的情況下，往往在截面高度不需要增加很多情況下即可滿足受力要求，因此對高架橋整體外觀的影響較小(見圖11)。相較于到T型蓋梁柱式墩和L型蓋梁柱式墩，矩形蓋梁柱式墩為過渡墩較為理想的設計方案。

5 結語

1)倒T型蓋梁柱式墩，蓋梁內力分布受墩高與基礎剛度影響較大，應根據墩高合理選擇相適應的基礎形式，使橋墩結構的整體受力趨于合理。

2)倒T型蓋梁的構造設計，在滿足受力要求的條件下，還應符合利于施工的原則。

3)在倒T型蓋梁計算時，邊界條件應模擬地基土對樁基的彈性約束作用，參與組合的效應應考慮豎向梯度溫度作用，對于單側加寬或雙側加寬的橋墩，隨著結構冗余約束的增加，二者對結構的受力影響會愈加顯著。

4)倒T型蓋梁柱式墩上部結構一般為裝配式結構，跨越能力有限，在跨越重要交叉口節點或等級航道時，需要采用大跨橋梁結構，則在進行兩種橋梁結構之間的過渡墩設計時，應綜合分析結構的受力特點，選取最優方案。