大跨度預應力蓋梁門架墩靜、動力計算與研究

劉 琴

(廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507)

0 引 言

橋位的選擇在大方向上應服從路線總體走向，當橋梁與被跨越河道夾角較小時，采用常規下部橋墩結構會增加水中落墩數量，增大阻水比，不利于河流行洪。為滿足防洪需要，減少水中落墩，常采用的措施有：采用大跨橋梁一孔跨越，或采用門架墩調整水中橋墩位置，使橋墩與水流方向在一條線上以減小對行洪的影響。相較于采用大跨橋梁一孔跨越而言，采用門架墩具有較大的經濟優勢，同時可以縮短施工工期，因此近年來門架墩在工程建設中應用得較為廣泛。本文以潮州市省道S232線市區段改線新建工程文祠截洪渠大橋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，對大跨徑預應力蓋梁門架墩結構進行靜、動力分析研究，以確保結構的安全性，為同類型項目起到一定的借鑒意義。

1 工程概況

本橋位于整體式路基段，橋梁寬度43.5 m，左右分幅設計，單幅設置凈寬3.5 m人行道、凈寬17 m車行道，兩幅橋中間設置2.5 m寬中央分隔帶，橋梁路線與文祠截洪渠交角為36°。為減小水中橋墩的阻水面積，左右幅橋墩中心連線與河道中心線應盡量保持平行，同時橋梁跨越兩側防洪堤， 2#～5#橋墩采用大跨徑預應力門架墩蓋梁跨越文祠截洪渠，其中2#、3#門架墩跨徑為(18+24)m，4#門架墩跨徑為(24+24)m；5#門架墩跨徑為(24+18)m,如圖1～圖3所示。

圖1 文祠截洪渠平面圖(單位：cm)

圖2 門架墩橫斷面布置圖(單位：cm)

圖3 門架墩蓋梁預應力鋼束布置圖

為了滿足堤防要求，避免在堤岸邊開挖承臺，本橋門架墩采用柱式墩設計，橋墩尺寸為D220 mm,樁基尺寸為D250 mm。為保證結構剛度分布均勻，4個門架墩均布置在同一聯，左幅跨徑組合為(4×30+3×30+4×25)m，右幅跨徑組合為(2×30+3×30+3×30+4×25)m。

2 靜力計算

2.1 門架墩施工過程

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，且本橋門架墩跨徑較大，若在蓋梁澆筑完成后一次性張拉全部預應力鋼束，則中柱頂緣、跨中底緣壓應力將超標、跨中頂緣拉應力將超標。因此，預應力鋼束應根據施工階段、蓋梁應力情況合理分批次張拉，以確保蓋梁各階段應力滿足規范要求。

經預應力束線型、張拉順序優化調整，蓋梁鋼絞線采用中墩墩頂3排、端部豎向3排共13根Φs15.2-15鋼絞線，結合上部箱梁架設順序，最終施工順序見表1。

表1 方案1各施工階段邊墩墩頂內力

步驟1，蓋梁混凝土達到90%設計強度時張拉N1、N2a、N3鋼束。

步驟2，對稱吊裝一側預制梁。

步驟3，對稱吊裝另一側預制梁。

步驟4，張拉N2b、N4鋼束。

步驟5，施工橫向連接、整體化層、橋面鋪裝及防撞欄等。

2.2 蓋梁與立柱連接方式比選

由于門架墩跨徑大，施工階段在恒載、鋼束二次力及收縮徐變作用下，邊墩柱頂將產生較大橫向彎矩；成橋階段在溫度及汽車活載作用下柱頂也會產生較大橫向彎矩。下面對蓋梁與立柱的不同連接方式進行分析：

方案1，蓋梁與立柱均固結；

方案2，蓋梁與中柱固結，施工階段先釋放兩邊柱橫向約束，成橋后再固結；

方案3，蓋梁與中柱固結，與邊柱橫向鉸接。

由于本項目位于高地震烈度區，為減小地震作用下中柱內力，需固定兩側邊柱橫向約束，讓三個墩柱共同承擔地震作用，因此不推薦方案3，只對方案1和方案2的橋墩內力進行對比，比較結果見表2、表3。

表2 運營階段恒載作用下邊柱墩頂彎矩

表3 荷載組合作用下邊柱柱頂內力

(1) 由表2可知，采用方案1，施工階段邊柱柱頂內力主要由上部恒載及鋼束二次力產生。第一批鋼束張拉、上部小箱梁未吊裝時，橋墩內力處于最不利狀態：橋墩彎矩大、軸力小。

(2) 采用方案1，隨著上部恒載增加，恒載產生的彎矩逐漸增大，橋墩軸力逐漸增加，彎矩逐漸減小，橋墩橫向彎矩主要由鋼束二次力產生。

(3) 由表2、表3可知，采用方案2，施工階段釋放邊柱橫向約束，可消除施工階段由恒載及鋼束二次力在邊柱上產生的彎矩。施工完成后，橋墩彎矩主要由收縮徐變產生。荷載組合作用下，方案2的橋墩內力小于方案1。

綜上，方案1中，當橋墩處于最不利施工階段時，本橋橋墩、樁基承載能力均滿足要求，裂縫驗算也滿足規范要求。為簡化墩梁連接構造以方便施工，本橋門架墩采用方案1。

2.3 預應力蓋梁靜力計算

2.3.1 施工階段蓋梁應力驗算

由表4可知，施工階段蓋梁最大拉應力為1.0 MPa<0.7f′ck=1.484 MPa，發生在兩側小箱梁吊裝完成后，滿足規范要求。

表4 施工階段蓋梁應力

2.3.2 正常使用極限狀態應力驗算

預應力蓋梁按照A類預應力構件設計，持久狀態正常使用極限狀態下，正截面應力需滿足：頻域組合下，σst-σpc≤0.7ftk；長期組合作用下，蓋梁不出現拉應力σlt-σpc≤0；標準組合作用下混凝土壓應力σcc≤0.5fck。

從表5可知，頻遇組合作用下，最大拉應力為0.8 MPa<1.86 MPa, 最大主拉應力為0.9 MPa<1.33 MPa；長期組合作用下，蓋梁均為壓應力；標準組合作用下混凝土最大壓應力12.7 MPa<16.2 MPa。正常使用極限狀態下蓋梁應力均滿足規范要求。

表5 正常使用階段蓋梁應力

2.3.3 蓋梁承載能力極限狀態驗算

計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 基本組合彎矩及抗力包絡圖(單位：kN·m)

圖5 基本組合剪力及抗力包絡圖(單位：kN)

經計算，蓋梁正截面抗彎承載能力、斜截面抗剪承載能力及截面尺寸抗剪驗算均滿足規范要求。

3 動力計算

3.1 動力模型的建立

根據本項目地震安評報告及抗震規范，本橋抗震設防類別為B類橋梁，抗震設防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15 g，橋梁結構所處場地為Ⅱ～Ⅲ類場地。

由地震安評報告中地震反應譜參數，E2水準采用50年2.5%(重現期為2 000年)Tg=0.7s，Smax=0.643 9，γ=1.05。

輸入實際剛度及質量建立全橋動力模型，如圖6所示。板式橡膠支座采用彈簧單元模擬，支座型號為GJZ400×450×99，水平剛度根據規范計算為4 183 kN/m。

圖6 全橋動力有限元模型

考慮樁土的共同作用，各墩樁基均采用土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度采用表征土介質彈性值的m參數來計算。根據地質資料，按實際地質鉆孔輸入樁基邊界條件。橋墩采用50根φ32主筋，橋墩配筋率為1.06%，采用φ12雙支箍筋，加密區箍筋間距為8 cm；樁基采用75根φ32主筋，樁基配筋率為1.23%，采用φ10雙支箍筋，加密區箍筋間距為8 cm。

3.2 內力分析

對于柱式墩，順橋向墩底內力最為不利；橫橋向由于大跨度門架墩無墩底系梁，橋墩墩頂最為不利，樁基將產生較大彎矩。

3.2.1 橋墩驗算

橋墩驗算結果見表6～表8。

表6 E2地震作用下墩底縱向驗算

表7 E2地震作用下墩頂橫向驗算

續表

表8 E2地震作用下墩底橫向驗算

經計算，在縱向地震作用下，橋墩墩底基本保持彈性狀態；在橫向地震作用下，由于無柱底系梁，墩頂進入塑性狀態，墩底彎矩較小，處于彈性狀態。

三柱門架墩由于結構不對稱及地質差異，縱向地震作用下會產生扭轉效應，導致邊墩彎矩增大，設計時應注意加強邊墩配筋。

3.2.2 樁基驗算

樁基驗算結果見表9～表10。

表9 E2地震作用下樁基順向驗算

表10 E2地震作用下樁基橫向驗算

經計算，在E2地震作用下，樁基均保持彈性狀態，樁基主筋配筋為1.22%。

3.2.3 支座驗算

E2地震作用下支座的最大水平位移為6 cm，經驗算，支座橡膠厚度滿足要求，抗滑移穩定性不滿足要求，因此設計時需要設置擋塊防止落梁。由于支座位移較大且發生滑動，為防止上部結構撞上引蓋梁對預應力蓋梁造成破壞，應加大上部結構與T形蓋梁之間的間隙，同時建議在小箱梁兩端安裝橡膠墊塊進行緩沖耗能。

3.2.4 抗剪驗算

剪切破壞屬于脆性破壞，抗震設計中應對橋墩樁基抗剪承載能力進行能力保護設計。

順橋向橋墩、樁基均保持彈性狀態，剪力直接從整體模型中讀取，順橋向橋墩最大剪力為3 800 kN，樁基最大剪力為5 500 kN。橫橋向由于墩頂屈服，墩底不屈服，橋墩最大剪力通過PUSHOVER模型進行分析，當推倒模型墩頂位移與橫向折減后整體地震模型位移一致時，橋墩橫向對應的最大剪力為5 880 kN，樁基對應的最大剪力為4 550 kN。

經驗算，橋墩抗剪由橫橋向控制，E2地震作用下，橋墩橫橋向抗剪承載能力富余4%。樁基抗剪由順橋向控制，E2地震作用下，樁基順橋向抗剪承載能力富余6%。由于橋墩樁基尺寸較大，墩高范圍在5～8 m水中樁基自由長度在3～5 m，橋墩、樁基抗剪承載能力富余較小。

4 結 論

本文以大跨度預應力門架墩橋梁為例，通過支撐方案比選，對蓋梁進行靜力動力計算得出以下結論：

(1) 靜力作用下，釋放邊柱橫向約束，有利于控制施工階段及成橋溫度作用下橋墩、樁基內力，對于沒有抗震要求的大跨徑門架墩蓋梁，可考慮釋放邊柱橫向約束。

(2) 對大跨度預應力門架墩，在澆筑蓋梁首次張拉預應力束時蓋梁與墩柱固結處墩頂軸力小、彎矩大，往往對整個門架墩的設計起控制作用，可采用措施釋放墩頂彎矩，避免墩身產生較大裂縫，成橋階段再固結蓋梁與橋墩。

(3) 三柱門架墩由于結構不對稱及地質差異，在地震動作用下會產生扭轉效應，導致邊墩彎矩增大，設計時應注意加強邊墩配筋。

(4) 強震作用下，支座位移較大，應加大上部結構與T形蓋梁之間的間隙，防止上部結構撞上引蓋梁對預應力蓋梁造成破壞。

(5) 對墩高較矮的橋梁，應重視橋墩樁基的抗剪設計，避免強震作用下剪切破壞。

(6) 對于高烈度地震區的超寬橋梁，由于上部恒載較重，必要時應采用減隔震設計，減小地震作用下橋墩、樁基內力。