框架墩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比選

胡 文

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司廣州分公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更多的是要將經(jīng)濟(jì)與美觀相結(jié)合，一座橋梁建筑設(shè)計(jì)再漂亮，若它的造價(jià)比同類一般橋梁高出許多，其設(shè)計(jì)也是失敗的[1]。如在大渡河龔嘴電站大橋的設(shè)計(jì)中，主體結(jié)構(gòu)采用中承式拱橋，而拱圈是采用鋼筋混凝土還是鋼管混凝土就成了一個(gè)問(wèn)題。由于該橋位于偏遠(yuǎn)大山之中的大渡河上，砂、石材料較為豐富，可就地取材，而鋼管拱不僅造價(jià)高昂，且鋼管山間運(yùn)送較難，故經(jīng)過(guò)比選，拱圈采用了更為經(jīng)濟(jì)的變截面鋼筋混凝土。這樣的設(shè)計(jì)建設(shè)問(wèn)題多有發(fā)生，重要的是設(shè)計(jì)者能否因地制宜地進(jìn)行科學(xué)論證，優(yōu)化比選。本文以珠海某橋梁下部框架墩為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)框架墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)比選，得出了更優(yōu)方案[2-4]。

1 框架墩的優(yōu)化方案與計(jì)算驗(yàn)證

1.1 工程概況

項(xiàng)目位于珠海歡樂(lè)海岸規(guī)劃地塊，橋梁正下方為康景路下穿隧道，橋梁邊界包括港口河跨河橋、上下橋梁的兩條坡道以及橋頭兩側(cè)連接廣場(chǎng)的梯道。橋梁結(jié)構(gòu)為人行橋，兼顧電瓶車通行。港口河為VII級(jí)航道，水面寬約50m，橋面寬25m，橋梁上部采用20m+25m+20m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，橫向采用6片梁，邊梁寬2.85m，中梁寬2.4m。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱接蓋梁。

1.2 框架墩優(yōu)化方案

原方案蓋梁截面采用2.2m（高）×2m（寬），其跨徑為22.2m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，配置兩排4根Φs15.2鋼絞線。柱徑1.6m，樁徑1.8m。

優(yōu)化后蓋梁采用T型截面，蓋梁高1.2m，斜撐0.8m×0.8m，橫 撐1.2m×0.9m，柱 徑1.2m，樁 徑1.4m，見(jiàn)圖1。

圖1 優(yōu)化后橋墩構(gòu)造圖（單位：cm）

1.3 計(jì)算驗(yàn)證

本文采用Midas有限元分析軟件，根據(jù)橋梁的實(shí)際施工過(guò)程劃分施工階段，荷載組合按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第4.1.5～4.1.6條進(jìn)行分配，求得結(jié)構(gòu)在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段時(shí)的內(nèi)力與應(yīng)力，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)模型

原方案蓋梁最大彎矩出現(xiàn)在跨中位置，最大彎矩為34822kN?m，墩柱最大彎矩為4157kN?m。優(yōu)化后方案蓋梁最大彎矩出現(xiàn)在蓋梁與斜撐剛接位置，最大彎矩為2875kN?m，墩柱最大彎矩為1700kN?m。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后蓋梁彎矩約為原方案的1/12，而橋墩彎矩約為原方案的1/2.45[5-7]。承載能力極限狀態(tài)彎矩圖見(jiàn)圖3。提取控制截面位置內(nèi)力及應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表1~表4。

表1 原方案蓋梁驗(yàn)算結(jié)果

表4 優(yōu)化后墩柱、樁基驗(yàn)算結(jié)果

圖3 承載能力極限狀態(tài)彎矩圖（單位：kN?m）

偏心-Mymax表示按偏心受彎構(gòu)件考慮，彎矩最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸力情況；軸心-Fxmin表示按軸心受壓構(gòu)件考慮，軸力取最小的情況；偏心-Fxmin(My)表示按偏心受壓構(gòu)件考慮，軸力最小所對(duì)應(yīng)的彎矩情況；偏心-Mymin表示按偏心受壓構(gòu)件考慮，彎矩最小所對(duì)應(yīng)的軸力情況。rNd表示結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)×作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)最大值，Nn表示構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值。

表2 原方案墩柱、樁基驗(yàn)算結(jié)果

表3 優(yōu)化后蓋梁驗(yàn)算結(jié)果

由表1~表4可知，蓋梁、橋墩、樁基驗(yàn)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2 方案對(duì)比

2.1 經(jīng)濟(jì)情況比選

根據(jù)計(jì)算驗(yàn)證，兩個(gè)方案均是合理的，從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行比選，詳細(xì)列出下部結(jié)構(gòu)工程量及造價(jià)表[8-10]，見(jiàn)表5。采用桁架式橋墩可節(jié)省造價(jià)55.4752萬(wàn)元。

表5 計(jì)算全橋下部橋墩工程量、造價(jià)比較表

2.2 其他比選

（1）本橋蓋梁跨徑22.2m，跨徑較大，需采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后大大減小了蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸，取消預(yù)應(yīng)力鋼束，降低了施工難度，避免了運(yùn)營(yíng)期間鋼束的養(yǎng)護(hù)問(wèn)題。

（2）優(yōu)化后方案樁柱主要承受豎向力，彎矩較小。經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，樁柱直徑可由原方案1.8~1.6m優(yōu)化為1.4~1.2m。阻水比由7.0%降至5.2%。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合珠海市某橋梁下部結(jié)構(gòu)框架墩的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)軟件計(jì)算及經(jīng)濟(jì)比選分析不同形式框架墩的合理性，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于兩柱蓋梁且其下方凈空不受限時(shí)，可采用桁架式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低造價(jià)，避免預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用，結(jié)構(gòu)輕盈美觀。

（2）當(dāng)阻水比受限時(shí)，采用桁架式能減少橋墩截面，一定程度上降低阻水比。