洛阳市华山北路上跨陇海铁路立交桥下部结构设计

穆 伟

(中铁工程设计咨询集团郑州设计院,郑州 450052)

1 工程概况

华山北路是洛阳市西区南北向交通的重要通道,陇海铁路紧邻涧河,地势高差较大,最大高差为 17m。本桥梁全长 606.6m,采用 4×40m+4×40m+7×40 m共 3联 15孔预应力混凝土连续梁桥,其中第二联跨越陇海铁路,华山北路中线与陇海铁路交叉处陇海下行铁路里程 K696+189.7,二者 交角为 74°45′。第三联跨越涧河,涧河比降较大,河道弯曲,河岸陡峭。

全桥分别位于直线及 R=2000m的曲线上。桥梁地震设防烈度为 7度,地震加速度峰值为 0.1g,地质土层分别为粉质黏土、圆粒土等。华山北路为双向8车道,双幅分离,每幅右侧为 2m宽人行道,桥全宽35m。下部桥墩采用矩形墩(1.5m×1.8m),以圆弧形式连接盖梁抹角。基础采用钻孔灌注桩,桩径 1.2、1.5m两种。下部施工采用立模现浇施工。

2 方案比选

连续梁越长对桥墩的受力越为不利。结合本桥,第三联位于涧河内,桥墩较高(16～19m),墩身刚度较小,相应的墩顶水平力较小,采用 7×40m一联(长联),可以满足连续梁引起的纵向水平力要求;而第一、二联桥墩较低,墩身刚度相对较大,故采用 4×40 m一联(短联),以减小墩顶纵向水平力。

本桥特点为墩身刚度相差较大,为方便施工,统一模板,简化施工工序,全桥采用了相同的墩身截面。基础均采用钻孔灌注桩基础。经过计算分析,第一、二联桥墩基础采用单墩下单排 2根 φ1.5m桩基础可以满足要求,但第三联位于涧河内,考虑季节水流冲刷的影响后,若仍采用单墩下单排 2根 φ1.5m桩基础,桩顶位移过大(已超过 6mm),桥墩的纵向刚度过小,因此最终采用 4根 φ1.2m群桩布置,提高了桥墩纵向刚度,限制了墩顶位移,经过计算满足了要求,并且提高了单位体积混凝土的侧摩阻的效能,降低了造价。桥跨布置见图1。

3 墩与盖梁综合分析

一般计算盖梁时有两种方法,方法一:盖梁按简支梁或连续梁计算;方法二:考虑墩与盖梁的固结作用按刚构计算。按照公路规范要求,以线刚度比(EI/L=5)为界,当其大于 5时盖梁按简支梁或连续梁计算,反之按刚构计算。公路规范主要是考虑当线刚度比大于 5时墩对盖梁的固结影响很小,可忽略墩的影响,只按简支或连续梁进行考虑。由于钻孔灌注桩及柱式墩的大量采用,柱(桩)尺寸的加大,根数的减小,一般桥梁排架式墩的刚度比均小于 5,所以均应考虑墩与盖梁的固结作用。本桥按照等效框架模型模拟计算,采用桥梁博士计算程序建模分析墩与盖梁。

图1 桥跨布置(单位:m)

以上分析为墩与盖梁的相互作用,在墩与基础的相接处的模拟方法不尽相同。考虑本桥下部基础均为钻孔灌注桩上接承台及墩身,在墩底处绝非完全固结状态,墩底即承台或桩头实际是有位移的,并且在有冲刷影响或桩基刚度较小的情况下影响更大。对于墩底的模拟有两种考虑:一是计算确定桩身的假想固结点,根据桩与墩身的刚度换算计算确定墩身的加长,然后在假想固结点处以固结来模拟;二通过对桩基础的计算 ,得出承台处的 δHH、δHM、δmm等各项柔度值,然后根据这些数据采取墩底处的弹性固结来进行分析。经综合考虑:方法一建模简单比较适用于单桩单柱墩,采用方法二更加符合受力特点,并且较为精确,故本桥采用墩底弹性固结的方法建模计算。

4 墩与盖梁横向分析

本桥盖梁及墩身采用 C40混凝土,拟定尺寸如下:盖梁长 15.4m,宽 1.9m,高 1.8m矩形截面,上部布置 5片小箱梁,悬臂长 3.25m,中跨长为 9.4m。墩柱纵向宽 1.5m,长 1.8m,抹角半径 R=20 cm。墩与盖梁相交处圆弧过渡,圆弧半径 R=166 cm,视觉效果平滑圆顺、方便模板施工。桥墩构造见图2、图3。

图2 1,7号墩构造(单位:cm)

图3 13号墩构造(单位:cm)

为得出不同墩高下墩与盖梁的横向受力特点,本桥分别取 1号墩 H=4 m,7号、14号墩 H=9m,13号墩 H=19m,3种墩高及其对应的基础刚度分别用桥梁博士建模分析。盖梁共划分为 36个单元,墩身高度方向每 0.5m划分为一个单元,墩与盖梁相接处采用共用 8号,29号节点的方式传递内力。荷载采用公路-Ⅰ级,人群荷载采用 4 kPa并考虑温度及不均匀沉降的影响。桥梁博士模型如图4～图6所示,计算结果见表1、表2。

图4 1号墩模型

图5 13号墩模型

图6 7、14号墩模型

从计算结果可以验证,随着墩高的不断增加,墩身刚度的减小使墩对盖梁的嵌固作用越来越弱,盖梁悬臂处最小负弯矩在下降,跨中正弯矩在上升,这也与实际情况较为吻合。由于本桥桥墩高差较大,盖梁最小负弯矩由盖梁悬臂处控制,高墩盖梁跨中截面控制盖梁最大正弯矩。另一方面也可以看出墩高的变化对墩底控制内力的影响:低墩(门式框构)由于墩身刚度较大不可忽视由盖梁分配来的弯矩影响,随着墩高的不断增大,墩身刚度的减小,墩身控制截面弯矩减小逐渐不控制设计。所以较低墩盖梁墩身的横向受力较大,横向配筋不可忽视。

表1 墩底横向弹性约束值

5 墩的纵桥向分析

本桥第 3联桥墩墩高普遍较高,在纵桥向水平力作用下纵向受力更为不利,故本桥纵桥向分析以第 3联(7×40m)为例。本联桥墩位于涧河河谷中,墩高相对于前两联来说较高,其中 13号桥墩墩高最高为19m。墩身纵桥向的主要控制荷载为制动力及温度力,本联长较大,为适应温度变形的不利影响,中间 4个墩采用普通板式橡胶支座,次边墩,联端墩及桥台采用滑板支座。计算纵向力时采用刚度分配原则,保守采取中间四墩分配全联的制动力及温度力,计算群桩桩基础的刚度、墩身的刚度及支座的刚度,求得墩顶的联合刚度。根据各墩的联合刚度计算该联的温度零点,并确定中间四墩的水平力分配。计算结果见表3。

由于本桥 13号墩高较高,长细比较大,该墩的设计不再仅仅有桩柱的强度、裂缝等控制因素,墩柱的稳定问题也越来越突出。桥梁上部结构采用的先简支后连续结构,桥墩墩顶设置单排橡胶支座,若将桥墩按一端自由、一端固结考虑,杆件计算长度为墩高的 2倍,则将大大增加杆件的截面尺寸,从而使得工程经济性降低。对于本桥特点杆件的长度不能简单认为底端固结,顶端自由的构件,由于 13号墩下为群桩基础,墩顶橡胶支座连接上部结构,该墩应采用下端固结,上端弹性水平约束的模型来考虑计算杆件的计算长度更为合理。本桥偏安全地采取承台处为固结。经计算偏安全取 L0=1.6H(L0为计算长度)来进行计算,计算结果见表4。

表4 部分墩底纵桥向弯矩计算结果 kN◦m

6 结语

本文通过对该桥的下部计算分析得出以下结果,在桥墩高差较大、分联较多时,在盖梁的设计方面,跨中截面应采用较高墩盖梁的横桥向结果,盖梁悬臂处截面应采用矮墩盖梁的横桥向结果。在墩身方面应重视矮墩的横向配筋,特别根据本桥实例得出在墩高较低(1号墩 H=4m)时墩底的横桥向相比纵桥向受力更为不利;在墩高较高,墩身的长细比较大的情况下,应按照桥梁的实际模型来确定桥墩的计算长度,注意纵桥向配筋的经济性,运用合理模型来进行下部结构的分析以满足设计的各项要求。

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