對異形橋臺單跨門式剛構(gòu)橋的設(shè)計探討

楊琪，張劍，宋熙龍

（1.武漢生態(tài)環(huán)境設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430050；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430000）

門式剛構(gòu)橋的受力體系，是一種介于梁橋與拱橋之間的一種受力體系，它結(jié)合受彎的上部梁結(jié)構(gòu)和承壓的下部墩柱結(jié)構(gòu)，組成一個梁拱結(jié)合的特殊結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)既是壓彎結(jié)構(gòu)也是推力結(jié)構(gòu)，這類橋梁無論在結(jié)構(gòu)受力上還是外觀上均兼?zhèn)淞汉凸暗奶攸c與優(yōu)勢，從而表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能及景觀造型。單跨門式剛構(gòu)橋多適用于跨越運河及小河流，由于無需在水中立墩，故它與同等跨徑拱橋相比，具有較大的通航凈空。

門式剛構(gòu)橋力學(xué)簡化模型為超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土的收縮徐變、溫度的變化、基礎(chǔ)的不均勻沉降以及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)等均對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可忽視的附加效應(yīng)，其中，溫度產(chǎn)生的附加效應(yīng)占比相對較大。一般設(shè)計時應(yīng)盡量讓結(jié)構(gòu)足夠的柔，這樣有利于梁體與斜墻、豎墻的設(shè)計。

1 工程概況

本次研究的橋梁為某沿海地區(qū)體育會展中心某工程里的一座人行景觀橋。橋梁為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土門式剛構(gòu)橋，設(shè)計單孔跨徑57m，橋梁全長65.4m。橋梁平面位于直線上，橋梁主體部分的縱斷面位于R=158.75m的圓曲線上，端部等高段均設(shè)置1.8%的單向坡，本橋不設(shè)置橫坡。上部結(jié)構(gòu)為變高截面，跨中梁高為2.0m，端部梁高為3.0m，按圓曲線變化；兩側(cè)端部4.2m 范圍內(nèi)設(shè)置高3.0m 的等高段。橋梁起點側(cè)端部頂板寬14.37m，終點側(cè)橋梁端部頂板寬8.391m，跨中處橋?qū)挒?.0m，全橋橋?qū)捵钚√帪?.659m。主梁設(shè)計為單箱三室截面，跨中段頂板厚 28cm，底板厚25m，中腹板厚50cm，邊腹板厚25cm。跨全橋共設(shè)置10 道30cm 厚橫隔板，橫隔板間距5.0m。邊跨4.2m 為實體段，其中箱室范圍內(nèi)局部挖空，該部分設(shè)計意圖為利用端橫梁的剛度大的特性，將梁體在荷載作用下的剪力和橋墩預(yù)應(yīng)力束的錨固力進(jìn)行重分配，均勻傳到整個截面。這樣做，一是可以盡量避免因為應(yīng)力集中導(dǎo)致的局部裂縫出現(xiàn)，二是為梁體增加平衡配重，達(dá)到改善短邊跨造成的受力不合理狀態(tài)的目的。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙薄壁異性橋臺，下接矩形承臺，承臺下接樁基礎(chǔ)，橋臺斜墻和豎墻壁厚均為0.8m。0#承臺尺寸為12.5m×5.2m×2.5m，基礎(chǔ)為8 根Φ1.2m 鉆孔灌注樁；1# 承臺尺寸為8.2m×5.2m×2.5m，基礎(chǔ)為6 根Φ1.2m 鉆孔灌注樁，以上鉆孔灌注樁均為摩擦型樁。本橋主梁、斜墻按A類部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，豎墻按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計。橋型立面布置、平面、跨中斷面布置如圖1～圖3：

圖1 景觀橋立面布置圖

圖2 景觀橋平面布置圖

圖3 景觀橋跨中斷面布置圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)計算與結(jié)果分析

2.1 模型建立

本橋有限元模型計算跨徑為65m，橋梁跨中截面高度2m，端部截面高度3m。通過查閱收集相關(guān)資料，一般情況下，公路門式剛構(gòu)橋的跨中梁高與主梁跨度的比值可取1/30～1/35 范圍，端部梁高與跨中梁高之比多取在1.2～2.5 之間，本橋以上兩個值分別為1/32.5和1.5，評估在工程合理范圍內(nèi)。人群荷載按照CJJ 11-2011（2019 版）規(guī)范取值為5.0KPa；系統(tǒng)溫度分別為升降溫25℃；溫度梯度按照J(rèn)TG D60-2015 規(guī)范考慮升降溫梯度。

主梁腹板束采用15φ15.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力σ=0.73=1357.8MPa，用外徑為90mm 的波紋管成孔；頂?shù)装迨捎?φ15.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力σ=0.75=1395MPa，采用外徑為70mm 的波紋管成孔；斜墻配置17φ15.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

門式剛構(gòu)橋受力體系為超靜定結(jié)構(gòu)體系，這直接使得異形橋臺的不同構(gòu)造（例如橋臺的高度、厚度、斜墻與豎墻的間距及斜交角），從各種角度影響著全橋的內(nèi)力分配。影響的本質(zhì)是橋臺所受的彎矩與橋臺和梁的剛度比率成正比。

橋臺的高度、斜墻與豎墻的間距及斜交角常受到橋位和橋梁標(biāo)高等客觀因素控制，基本根據(jù)地理條件確定。因此本次設(shè)計，根據(jù)豎墻高度及斜墻、豎墻厚度的不同，提出了五個不同的方案，并對這五個方案分別采用橋梁博士軟件建立模型，進(jìn)行計算分析及對比，全橋模型劃分65 個梁單元，有限元模型見圖4。

圖4 景觀橋有限元模型

（1）模型一：橋臺豎墻高400cm，斜墻與豎墻取80cm；

（2）模型二：橋臺豎墻高550cm，斜墻與豎墻取80cm（設(shè)計采用模型）；

（3）模型三：橋臺豎墻高700cm，斜墻與豎墻取80cm；

（4）模型四：橋臺豎墻高550cm，斜墻與豎墻取60cm；

（5）模型五：橋臺豎墻高550cm，斜墻與豎墻取100cm。

2.2 主梁結(jié)果分析

根據(jù)有限元模型計算可得出五個模型支點（豎墻處）與跨中處不同工況下豎向彎矩，具體計算結(jié)果詳見表1

表1 不同工況下彎矩（KN·m）

分析計算結(jié)果，隨墩高增加，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、徐變效應(yīng)、支點處收縮效應(yīng)、支點處整體升溫效應(yīng)是增加的，跨中處收縮效應(yīng)、跨中處整體升溫效應(yīng)、支點處梯度升溫效應(yīng)及恒載總效應(yīng)是降低的；隨橋墩壁厚的減小，徐變效應(yīng)、支點處收縮效應(yīng)、整體升溫效應(yīng)是增加的，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、跨中處收縮效應(yīng)、支點處梯度升溫效應(yīng)及恒載總效應(yīng)是降低的。為進(jìn)一步分析研究預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的變化規(guī)律，表2為主梁預(yù)應(yīng)力主效應(yīng)及次效應(yīng)下計算結(jié)果。

表2 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)內(nèi)力數(shù)值（KN·m）

由表2可知，隨著墩高增加，主梁支點處預(yù)應(yīng)力主次效應(yīng)均增加，主梁跨中處預(yù)應(yīng)力主次效應(yīng)均減小；隨著橋墩壁厚的減小，主梁預(yù)應(yīng)力主次效應(yīng)均減小。

綜上，增加墩高以及減小橋墩壁厚均可減小橋墩對主梁的約束能力，且對主梁內(nèi)力的變化規(guī)律大部分是相似的，但是兩種改變主梁約束能力的途徑對主梁支點預(yù)應(yīng)力主效應(yīng)及跨中處的整體升溫效應(yīng)的變化規(guī)律的相反的，這主要是由于斜墻對主梁約束及溫度次內(nèi)力造成的。

2.3 拱效應(yīng)分析

支點處水平推力的存在,使得拱部的彎矩大幅度減小。我們將梁部設(shè)成微拱狀這種結(jié)構(gòu)，使得在相同豎向荷載作用下水平推力比帶有水平梁部的門形剛構(gòu)的水平推力要大一些,這樣有力地減小梁體的正彎矩，使相比于梁式結(jié)構(gòu)采用較小的梁高成為可能。表3為恒載作用下承臺頂部水平推力（KN）及主梁跨中彎矩（KN·m）的計算結(jié)果。

表3 拱效應(yīng)結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)置起拱會使主梁跨中彎矩減少17.6%，基礎(chǔ)水平推力增大9%。

2.4 動力分析

提取該橋成橋狀態(tài)前4 階自振頻率及相應(yīng)振型如表4：

表4 前4 階自振頻率及振型

根據(jù)規(guī)范要求可知，人行橋豎向自振頻率不應(yīng)低于3Hz，根據(jù)計算可知本橋梁豎向自震頻率為3.33Hz，處于第四階振型，滿足規(guī)范要求。

3 施工工藝

門式剛構(gòu)為高次超靜定體系，整個施工順序設(shè)計的重點是如何有效利用預(yù)應(yīng)力。經(jīng)分析，橋梁施工順序建議為：

（1）先澆注斜墻結(jié)構(gòu)和墩頂部位的主梁結(jié)構(gòu)；

（2）張拉斜壁墩預(yù)應(yīng)力；

（3）澆注其它部分橋墩和梁體；

（4）張拉主梁預(yù)應(yīng)力；

（5）施工橋面系。

由以上施工步驟可以看出，我們建議施工單位將斜墻分離出來，避免斜壁墩預(yù)壓力使梁體與墩體剛度比進(jìn)行分配。但如果將主梁分階段澆注，并分階段張拉預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)冷縫增多，分段張拉的預(yù)應(yīng)力需通過連接器連接，會一定程度削弱梁體接縫處斷面。

4 結(jié)語

（1）在橋梁結(jié)構(gòu)高度受限，且景觀要求高的工程設(shè)計活動中，本橋所用的單跨門式剛構(gòu)橋有著一定的優(yōu)勢；

（2）通過改變墩高及壁厚可改變橋墩對主梁的約束能力，但是預(yù)應(yīng)力主效應(yīng)及跨中截面整體溫度效應(yīng)與其他效應(yīng)的變化規(guī)律相反，主要是由于斜墻對主梁約束及溫度次內(nèi)力造成的。

（3）設(shè)置起拱會使主梁跨中彎矩較大幅度減少，基礎(chǔ)水平推力增大，能有效地減小主梁梁高。

（4）單跨鋼構(gòu)人行橋第一階振型為主梁側(cè)彎，豎彎發(fā)生在第四階振型，豎向自振頻率仍滿足規(guī)范要求。

（5）施工過程對結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要，故結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮合理的施工過程，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳受力狀態(tài)。