劉 琴

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)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(yīng)服從路線總體走向，當(dāng)橋梁與被跨越河道夾角較小時，采用常規(guī)下部橋墩結(jié)構(gòu)會增加水中落墩數(shù)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(diào)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(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，同時可以縮短施工工期，因此近年來門架墩在工程建設(shè)中應(yīng)用得較為廣泛。本文以潮州市省道S232線市區(qū)段改線新建工程文祠截洪渠大橋三柱式預(yù)應(yīng)力門架墩設(shè)計為例，對門架墩支承形式的選擇及配束方式進(jìn)行研究，對大跨徑預(yù)應(yīng)力蓋梁門架墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動力分析研究，以確保結(jié)構(gòu)的安全性，為同類型項(xiàng)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(shè)計，單幅設(shè)置凈寬3.5 m人行道、凈寬17 m車行道，兩幅橋中間設(shè)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(yīng)盡量保持平行，同時橋梁跨越兩側(cè)防洪堤， 2#～5#橋墩采用大跨徑預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(shè)計，橋墩尺寸為D220 mm,樁基尺寸為D250 mm。為保證結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，4個門架墩均布置在同一聯(lián)，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(yùn)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(yù)應(yīng)力鋼束，則中柱頂緣、跨中底緣壓應(yīng)力將超標(biāo)、跨中頂緣拉應(yīng)力將超標(biāo)。因此，預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)根據(jù)施工階段、蓋梁應(yīng)力情況合理分批次張拉，以確保蓋梁各階段應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

經(jīng)預(yù)應(yīng)力束線型、張拉順序優(yōu)化調(diào)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(jié)合上部箱梁架設(shè)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(nèi)力

步驟1，蓋梁混凝土達(dá)到90%設(shè)計強(qiáng)度時張拉N1、N2a、N3鋼束。

步驟2，對稱吊裝一側(cè)預(yù)制梁。

步驟3，對稱吊裝另一側(cè)預(yù)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(chǎn)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(chǎn)生較大橫向彎矩。下面對蓋梁與立柱的不同連接方式進(jìn)行分析：

方案1，蓋梁與立柱均固結(jié)；

方案2，蓋梁與中柱固結(jié)，施工階段先釋放兩邊柱橫向約束，成橋后再固結(jié)；

方案3，蓋梁與中柱固結(jié)，與邊柱橫向鉸接。

由于本項(xiàng)目位于高地震烈度區(qū)，為減小地震作用下中柱內(nèi)力，需固定兩側(cè)邊柱橫向約束，讓三個墩柱共同承擔(dān)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(nèi)力進(jìn)行對比，比較結(jié)果見表2、表3。

表2 運(yùn)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(nèi)力

(1) 由表2可知，采用方案1，施工階段邊柱柱頂內(nèi)力主要由上部恒載及鋼束二次力產(chǎn)生。第一批鋼束張拉、上部小箱梁未吊裝時，橋墩內(nèi)力處于最不利狀態(tài)：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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的彎矩。施工完成后，橋墩彎矩主要由收縮徐變產(chǎn)生。荷載組合作用下，方案2的橋墩內(nèi)力小于方案1。

綜上，方案1中，當(dāng)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(yàn)算也滿足規(guī)范要求。為簡化墩梁連接構(gòu)造以方便施工，本橋門架墩采用方案1。

2.3 預(yù)應(yīng)力蓋梁靜力計算

2.3.1 施工階段蓋梁應(yīng)力驗(yàn)算

由表4可知，施工階段蓋梁最大拉應(yīng)力為1.0 MPa<0.7f′ck=1.484 MPa，發(fā)生在兩側(cè)小箱梁吊裝完成后，滿足規(guī)范要求。

表4 施工階段蓋梁應(yīng)力

2.3.2 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算

預(yù)應(yīng)力蓋梁按照A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，持久狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)下，正截面應(yīng)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(xiàn)拉應(yīng)力σlt-σpc≤0；標(biāo)準(zhǔn)組合作用下混凝土壓應(yīng)力σcc≤0.5fck。

從表5可知，頻遇組合作用下，最大拉應(yīng)力為0.8 MPa<1.86 MPa, 最大主拉應(yīng)力為0.9 MPa<1.33 MPa；長期組合作用下，蓋梁均為壓應(yīng)力；標(biāo)準(zhǔn)組合作用下混凝土最大壓應(yīng)力12.7 MPa<16.2 MPa。正常使用極限狀態(tài)下蓋梁應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表5 正常使用階段蓋梁應(yīng)力

2.3.3 蓋梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 基本組合彎矩及抗力包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖5 基本組合剪力及抗力包絡(luò)圖(單位：kN)

經(jīng)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(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

3 動力計算

3.1 動力模型的建立

根據(jù)本項(xiàng)目地震安評報告及抗震規(guī)范，本橋抗震設(shè)防類別為B類橋梁，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15 g，橋梁結(jié)構(gòu)所處場地為Ⅱ～Ⅲ類場地。

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

輸入實(shí)際剛度及質(zhì)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(jù)規(guī)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(zhì)彈性值的m參數(shù)來計算。根據(jù)地質(zhì)資料，按實(shí)際地質(zhì)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(qū)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(qū)箍筋間距為8 cm。

3.2 內(nèi)力分析

對于柱式墩，順橋向墩底內(nèi)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(chǎn)生較大彎矩。

3.2.1 橋墩驗(yàn)算

橋墩驗(yàn)算結(jié)果見表6～表8。

表6 E2地震作用下墩底縱向驗(yàn)算

表7 E2地震作用下墩頂橫向驗(yàn)算

續(xù)表

表8 E2地震作用下墩底橫向驗(yàn)算

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

三柱門架墩由于結(jié)構(gòu)不對稱及地質(zhì)差異，縱向地震作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致邊墩彎矩增大，設(shè)計時應(yīng)注意加強(qiáng)邊墩配筋。

3.2.2 樁基驗(yàn)算

樁基驗(yàn)算結(jié)果見表9～表10。

表9 E2地震作用下樁基順向驗(yàn)算

表10 E2地震作用下樁基橫向驗(yàn)算

經(jīng)計算，在E2地震作用下，樁基均保持彈性狀態(tài)，樁基主筋配筋為1.22%。

3.2.3 支座驗(yàn)算

E2地震作用下支座的最大水平位移為6 cm，經(jīng)驗(yàn)算，支座橡膠厚度滿足要求，抗滑移穩(wěn)定性不滿足要求，因此設(shè)計時需要設(shè)置擋塊防止落梁。由于支座位移較大且發(fā)生滑動，為防止上部結(jié)構(gòu)撞上引蓋梁對預(yù)應(yīng)力蓋梁造成破壞，應(yīng)加大上部結(jié)構(gòu)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(jìn)行緩沖耗能。

3.2.4 抗剪驗(yàn)算

剪切破壞屬于脆性破壞，抗震設(shè)計中應(yīng)對橋墩樁基抗剪承載能力進(jìn)行能力保護(hù)設(shè)計。

順橋向橋墩、樁基均保持彈性狀態(tài)，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(jìn)行分析，當(dāng)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?qū)?yīng)的最大剪力為5 880 kN，樁基對應(yīng)的最大剪力為4 550 kN。

經(jīng)驗(yàn)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(jié) 論

本文以大跨度預(yù)應(yīng)力門架墩橋梁為例，通過支撐方案比選，對蓋梁進(jìn)行靜力動力計算得出以下結(jié)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(nèi)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(yù)應(yīng)力門架墩，在澆筑蓋梁首次張拉預(yù)應(yīng)力束時蓋梁與墩柱固結(jié)處墩頂軸力小、彎矩大，往往對整個門架墩的設(shè)計起控制作用，可采用措施釋放墩頂彎矩，避免墩身產(chǎn)生較大裂縫，成橋階段再固結(jié)蓋梁與橋墩。

(3) 三柱門架墩由于結(jié)構(gòu)不對稱及地質(zhì)差異，在地震動作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致邊墩彎矩增大，設(shè)計時應(yīng)注意加強(qiáng)邊墩配筋。

(4) 強(qiáng)震作用下，支座位移較大，應(yīng)加大上部結(jié)構(gòu)與T形蓋梁之間的間隙，防止上部結(jié)構(gòu)撞上引蓋梁對預(yù)應(yīng)力蓋梁造成破壞。

(5) 對墩高較矮的橋梁，應(yīng)重視橋墩樁基的抗剪設(shè)計，避免強(qiáng)震作用下剪切破壞。

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