大跨度预应力盖梁门架墩静、动力计算与研究

刘 琴

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

0 引 言

桥位的选择在大方向上应服从路线总体走向，当桥梁与被跨越河道夹角较小时，采用常规下部桥墩结构会增加水中落墩数量，增大阻水比，不利于河流行洪。为满足防洪需要，减少水中落墩，常采用的措施有：采用大跨桥梁一孔跨越，或采用门架墩调整水中桥墩位置，使桥墩与水流方向在一条线上以减小对行洪的影响。相较于采用大跨桥梁一孔跨越而言，采用门架墩具有较大的经济优势，同时可以缩短施工工期，因此近年来门架墩在工程建设中应用得较为广泛。本文以潮州市省道S232线市区段改线新建工程文祠截洪渠大桥三柱式预应力门架墩设计为例，对门架墩支承形式的选择及配束方式进行研究，对大跨径预应力盖梁门架墩结构进行静、动力分析研究，以确保结构的安全性，为同类型项目起到一定的借鉴意义。

1 工程概况

本桥位于整体式路基段，桥梁宽度43.5 m，左右分幅设计，单幅设置净宽3.5 m人行道、净宽17 m车行道，两幅桥中间设置2.5 m宽中央分隔带，桥梁路线与文祠截洪渠交角为36°。为减小水中桥墩的阻水面积，左右幅桥墩中心连线与河道中心线应尽量保持平行，同时桥梁跨越两侧防洪堤， 2#～5#桥墩采用大跨径预应力门架墩盖梁跨越文祠截洪渠，其中2#、3#门架墩跨径为(18+24)m，4#门架墩跨径为(24+24)m；5#门架墩跨径为(24+18)m,如图1～图3所示。

图1 文祠截洪渠平面图(单位：cm)

图2 门架墩横断面布置图(单位：cm)

图3 门架墩盖梁预应力钢束布置图

为了满足堤防要求，避免在堤岸边开挖承台，本桥门架墩采用柱式墩设计，桥墩尺寸为D220 mm,桩基尺寸为D250 mm。为保证结构刚度分布均匀，4个门架墩均布置在同一联，左幅跨径组合为(4×30+3×30+4×25)m，右幅跨径组合为(2×30+3×30+3×30+4×25)m。

2 静力计算

2.1 门架墩施工过程

由于盖梁受力分为盖梁施工、梁体吊装、桥面铺装、成桥运营等多个阶段，施工过程中各阶段所受的外部荷载也有所不同，且本桥门架墩跨径较大，若在盖梁浇筑完成后一次性张拉全部预应力钢束，则中柱顶缘、跨中底缘压应力将超标、跨中顶缘拉应力将超标。因此，预应力钢束应根据施工阶段、盖梁应力情况合理分批次张拉，以确保盖梁各阶段应力满足规范要求。

经预应力束线型、张拉顺序优化调整，盖梁钢绞线采用中墩墩顶3排、端部竖向3排共13根Φs15.2-15钢绞线，结合上部箱梁架设顺序，最终施工顺序见表1。

表1 方案1各施工阶段边墩墩顶内力

步骤1，盖梁混凝土达到90%设计强度时张拉N1、N2a、N3钢束。

步骤2，对称吊装一侧预制梁。

步骤3，对称吊装另一侧预制梁。

步骤4，张拉N2b、N4钢束。

步骤5，施工横向连接、整体化层、桥面铺装及防撞栏等。

2.2 盖梁与立柱连接方式比选

由于门架墩跨径大，施工阶段在恒载、钢束二次力及收缩徐变作用下，边墩柱顶将产生较大横向弯矩；成桥阶段在温度及汽车活载作用下柱顶也会产生较大横向弯矩。下面对盖梁与立柱的不同连接方式进行分析：

方案1，盖梁与立柱均固结；

方案2，盖梁与中柱固结，施工阶段先释放两边柱横向约束，成桥后再固结；

方案3，盖梁与中柱固结，与边柱横向铰接。

由于本项目位于高地震烈度区，为减小地震作用下中柱内力，需固定两侧边柱横向约束，让三个墩柱共同承担地震作用，因此不推荐方案3，只对方案1和方案2的桥墩内力进行对比，比较结果见表2、表3。

表2 运营阶段恒载作用下边柱墩顶弯矩

表3 荷载组合作用下边柱柱顶内力

(1) 由表2可知，采用方案1，施工阶段边柱柱顶内力主要由上部恒载及钢束二次力产生。第一批钢束张拉、上部小箱梁未吊装时，桥墩内力处于最不利状态：桥墩弯矩大、轴力小。

(2) 采用方案1，随着上部恒载增加，恒载产生的弯矩逐渐增大，桥墩轴力逐渐增加，弯矩逐渐减小，桥墩横向弯矩主要由钢束二次力产生。

(3) 由表2、表3可知，采用方案2，施工阶段释放边柱横向约束，可消除施工阶段由恒载及钢束二次力在边柱上产生的弯矩。施工完成后，桥墩弯矩主要由收缩徐变产生。荷载组合作用下，方案2的桥墩内力小于方案1。

综上，方案1中，当桥墩处于最不利施工阶段时，本桥桥墩、桩基承载能力均满足要求，裂缝验算也满足规范要求。为简化墩梁连接构造以方便施工，本桥门架墩采用方案1。

2.3 预应力盖梁静力计算

2.3.1 施工阶段盖梁应力验算

由表4可知，施工阶段盖梁最大拉应力为1.0 MPa<0.7f′ck=1.484 MPa，发生在两侧小箱梁吊装完成后，满足规范要求。

表4 施工阶段盖梁应力

2.3.2 正常使用极限状态应力验算

预应力盖梁按照A类预应力构件设计，持久状态正常使用极限状态下，正截面应力需满足：频域组合下，σst-σpc≤0.7ftk；长期组合作用下，盖梁不出现拉应力σlt-σpc≤0；标准组合作用下混凝土压应力σcc≤0.5fck。

从表5可知，频遇组合作用下，最大拉应力为0.8 MPa<1.86 MPa, 最大主拉应力为0.9 MPa<1.33 MPa；长期组合作用下，盖梁均为压应力；标准组合作用下混凝土最大压应力12.7 MPa<16.2 MPa。正常使用极限状态下盖梁应力均满足规范要求。

表5 正常使用阶段盖梁应力

2.3.3 盖梁承载能力极限状态验算

计算结果如图4、图5所示。

图4 基本组合弯矩及抗力包络图(单位：kN·m)

图5 基本组合剪力及抗力包络图(单位：kN)

经计算，盖梁正截面抗弯承载能力、斜截面抗剪承载能力及截面尺寸抗剪验算均满足规范要求。

3 动力计算

3.1 动力模型的建立

根据本项目地震安评报告及抗震规范，本桥抗震设防类别为B类桥梁，抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.15 g，桥梁结构所处场地为Ⅱ～Ⅲ类场地。

由地震安评报告中地震反应谱参数，E2水准采用50年2.5%(重现期为2 000年)Tg=0.7s，Smax=0.643 9，γ=1.05。

输入实际刚度及质量建立全桥动力模型，如图6所示。板式橡胶支座采用弹簧单元模拟，支座型号为GJZ400×450×99，水平刚度根据规范计算为4 183 kN/m。

图6 全桥动力有限元模型

考虑桩土的共同作用，各墩桩基均采用土弹簧模拟，等代土弹簧的刚度采用表征土介质弹性值的m参数来计算。根据地质资料，按实际地质钻孔输入桩基边界条件。桥墩采用50根φ32主筋，桥墩配筋率为1.06%，采用φ12双支箍筋，加密区箍筋间距为8 cm；桩基采用75根φ32主筋，桩基配筋率为1.23%，采用φ10双支箍筋，加密区箍筋间距为8 cm。

3.2 内力分析

对于柱式墩，顺桥向墩底内力最为不利；横桥向由于大跨度门架墩无墩底系梁，桥墩墩顶最为不利，桩基将产生较大弯矩。

3.2.1 桥墩验算

桥墩验算结果见表6～表8。

表6 E2地震作用下墩底纵向验算

表7 E2地震作用下墩顶横向验算

续表

表8 E2地震作用下墩底横向验算

经计算，在纵向地震作用下，桥墩墩底基本保持弹性状态；在横向地震作用下，由于无柱底系梁，墩顶进入塑性状态，墩底弯矩较小，处于弹性状态。

三柱门架墩由于结构不对称及地质差异，纵向地震作用下会产生扭转效应，导致边墩弯矩增大，设计时应注意加强边墩配筋。

3.2.2 桩基验算

桩基验算结果见表9～表10。

表9 E2地震作用下桩基顺向验算

表10 E2地震作用下桩基横向验算

经计算，在E2地震作用下，桩基均保持弹性状态，桩基主筋配筋为1.22%。

3.2.3 支座验算

E2地震作用下支座的最大水平位移为6 cm，经验算，支座橡胶厚度满足要求，抗滑移稳定性不满足要求，因此设计时需要设置挡块防止落梁。由于支座位移较大且发生滑动，为防止上部结构撞上引盖梁对预应力盖梁造成破坏，应加大上部结构与T形盖梁之间的间隙，同时建议在小箱梁两端安装橡胶垫块进行缓冲耗能。

3.2.4 抗剪验算

剪切破坏属于脆性破坏，抗震设计中应对桥墩桩基抗剪承载能力进行能力保护设计。

顺桥向桥墩、桩基均保持弹性状态，剪力直接从整体模型中读取，顺桥向桥墩最大剪力为3 800 kN，桩基最大剪力为5 500 kN。横桥向由于墩顶屈服，墩底不屈服，桥墩最大剪力通过PUSHOVER模型进行分析，当推倒模型墩顶位移与横向折减后整体地震模型位移一致时，桥墩横向对应的最大剪力为5 880 kN，桩基对应的最大剪力为4 550 kN。

经验算，桥墩抗剪由横桥向控制，E2地震作用下，桥墩横桥向抗剪承载能力富余4%。桩基抗剪由顺桥向控制，E2地震作用下，桩基顺桥向抗剪承载能力富余6%。由于桥墩桩基尺寸较大，墩高范围在5～8 m水中桩基自由长度在3～5 m，桥墩、桩基抗剪承载能力富余较小。

4 结 论

本文以大跨度预应力门架墩桥梁为例，通过支撑方案比选，对盖梁进行静力动力计算得出以下结论：

(1) 静力作用下，释放边柱横向约束，有利于控制施工阶段及成桥温度作用下桥墩、桩基内力，对于没有抗震要求的大跨径门架墩盖梁，可考虑释放边柱横向约束。

(2) 对大跨度预应力门架墩，在浇筑盖梁首次张拉预应力束时盖梁与墩柱固结处墩顶轴力小、弯矩大，往往对整个门架墩的设计起控制作用，可采用措施释放墩顶弯矩，避免墩身产生较大裂缝，成桥阶段再固结盖梁与桥墩。

(3) 三柱门架墩由于结构不对称及地质差异，在地震动作用下会产生扭转效应，导致边墩弯矩增大，设计时应注意加强边墩配筋。

(4) 强震作用下，支座位移较大，应加大上部结构与T形盖梁之间的间隙，防止上部结构撞上引盖梁对预应力盖梁造成破坏。

(5) 对墩高较矮的桥梁，应重视桥墩桩基的抗剪设计，避免强震作用下剪切破坏。

(6) 对于高烈度地震区的超宽桥梁，由于上部恒载较重，必要时应采用减隔震设计，减小地震作用下桥墩、桩基内力。