现浇连续箱梁桥下部结构中的预应力混凝土偏心墩特点分析及承载力计算

姚莉

(深圳高速工程顾问有限公司，北京市100107)

现浇连续箱梁桥下部结构中的预应力混凝土偏心墩特点分析及承载力计算

姚莉

(深圳高速工程顾问有限公司，北京市100107)

结合南方某沿海城市快速路项目某匝道桥下部结构中的预应力混凝土偏心墩设计过程，讨论分析了该预应力混凝土偏心墩在以现浇连续箱梁作为上部结构部件时的具体特点，还研究了怎样根据具体特点进行特有结构型式比选并进行承载能力计算。其成果对于同类型预应力混凝土偏心墩设计工作具有一定的借鉴意义。

现浇连续箱梁;下部结构;预应力混凝土偏心墩;特点分析;结构型式比选;承载能力计算

0 引言

近年来，我国沿海经济发达地区为了提高交通运输效率、增大疏解能力、降低工程征地成本，大量修建了结构简洁的快速路高架桥。由于我国沿海地区作为经济中心的惯性还将较长时间地存在着，这会使城市中因工程用地产生的矛盾更加突出，造成城市工程用地成本高于结构物造价的差距更为加大，“以空间降成本”的高架桥将在城市道路工程中日益增加比重。

今后随着城市建设管理更加规范，更加重视远期规划的实现路径是否畅通，城市道路中的高架桥梁不仅要承担结构本身的运输效益需求与城市社会效益需求，而且要兼顾桥梁下道路的近期用地成本效益，以及兼顾远期运输效益和实现远期规划成本效益——即如何在远期规划与桥梁下部结构所需用地产生冲突时，利用特殊结构在“异形”建筑用地上，有效、快速地完成下部结构承载能力搭建，是今后经济发达地区高架桥梁建设中必须解决的问题。采用预应力混凝土偏心墩是一种有效办法。

1 预应力混凝土偏心墩特点分析

1.1 偏心墩在-定范围内更为经济

偏心墩可以有限适用于前文所说的“异形”建筑用地——可用建设用地及桥下建筑限界相对桥梁中心线不对称，且不能满足设置以桥梁中心线对称的下部结构的最小用地需求，相对于改变“异形”建筑用地的成本，改变结构利用偏心墩完成下部结构的功效则更为经济。在这里之所以说“一定范围内”和“有限适用”是因为该类型结构的造价也会根据偏心距的增大而增大，并且是非线性加速增大，结构实现难度也同样加大，当结构造价及结构实现难度达到一定水平时，必然会造成整体桥梁方案甚至是路线方案的修改。

1.2 偏心墩在-定范围内结构分析更简单

本文所介绍的预应力混凝土偏心墩承载力验算时，较一般桥墩的承载能力验算，在所受弯矩这一项目中有较大增强，需要通过墩身内锚固在基础及墩身顶的预应力索产生的与外力合力点异侧的轴力及弯矩，用以平衡所受轴力加弯矩产生的一系列作用，由于是用“内力”平衡外力影响，故而结构受力简单，可将计算过程先简化为平面杆系计算，然后进行预应力钢束配索，可以有一定的缩短设计周期的作用。当然这也是有条件限制的，即“一定范围”，当偏心产生的形变无法用预应力钢束平衡，或恒载状态下为平衡偏心影响配置的预应力钢束所产生的应力会对结构产生不良影响时，可简化计算的偏心墩将不再适用。

1.3 偏心墩还具备-些其他优点

(1)桥墩墩身结构自身有较大的刚度，同时对上部构造来说有较好的稳定性;(2)由于结构边界条件简单，客观上减少了病害的发生;(3)偏心墩在模板完成，以及钢筋预埋的情况下可以一次浇筑，在同等条件下，降低了常用墩柱接盖梁的下部结构施工时为更换不同材料而多次浇筑产生的各种困难，适当加快了工期;(4)使用偏心墩时，会尽量少地使用对上部构造的支座数量，且桥墩墩身为了减少剪力影响而进行的扩大化设计，对养护工作来说提供了更多的便利，降低了养护工作的难度和成本。

2 工程实例

2.1 桥梁概况

南方某沿海城市快速路项目某匝道桥是主线桥的下行匝道桥，该桥上行纵向跨越一重要通道的辅道，桥梁全长251.5 m，全桥共三联。现讨论的预应力钢筋混凝土偏心桥墩位于第二联的第二个桥墩，其上部结构采用(4×25 m)现浇预应力混凝土连续箱梁，下部结构为躲避一条规划道路的辅道，采用独柱预应力钢筋混凝土偏心桥墩，承台接摩擦桩基础。

桥梁主要尺寸及技术标准为:全宽-8.5 m，净宽-7.5 m，公路-Ⅰ级荷载，现浇梁高140 cm，沥青混凝土铺装厚10 cm，设计车道数按照两车道计算， 预应力钢筋混凝土偏心桥墩墩高为5.3 m，固定墩，7度设防地震烈度。桥跨布置的平纵断面如图1所示;预应力钢筋混凝土偏心桥墩(推荐方案)断面图如图2所示。

图1 大桥第二联桥跨布置图(单位:cm)

图2 预应力钢筋混凝土偏心桥墩(推荐方案)与(比较方案)断面图(单位:cm)

2.2 方案选取过程及计算基础资料

在方案选取过程中最初作者设计出的是比较方案(见图2)——带盖梁两支座偏心墩的方案;而后通过简化，再次设计产生了第二方案，即推荐方案(见图2)。

最初的比较方案与后来的推荐方案最大的区别在于，推荐方案适当放弃了对上部结构抗扭性能以及侧向稳定性的追求(因为第一、三、四、五桥墩均为双支座)，用以换取偏心墩力学模型中偏心距最小化。

通过上述方案介绍、比较，以及图2中显而易见的型式与尺寸的差别，可以清晰地看到推荐方案在经济性上，以及力学性能与桥下建筑限界的平衡方面具有较明显的优势。

采用上述推荐方案另一个优点是:可以将预应力钢筋混凝土偏心桥墩墩身处左右分为两部分，一部分为矩形部分，另一部分为梯形部分，将矩形部分当作偏心受压构件进行结构计算。计算中需要将梯形部分的自重，以及上部结构在各种工况下的荷载，加载到矩形部分的偏心受压构件上，以轴力加弯矩的作用在偏心受压构件上，模拟偏心墩的各种工况条件下所承受的恒载与活载。由于墩身下配有承台，所以墩身的边界条件为固结约束。并且由于仅有一个支座，所以在计算中也不用考虑上部结构会对墩身整体产生除了支座位置以外的额外的作用。

综上所述，最终选定了用单支座异形花瓶墩方案，即推荐方案。

具体的参数的选取，其内容如下所述。

2.2.1 材料选用

墩身:C40混凝土;

钢筋:R235、HRB335钢筋;

预应力钢绞线:270级高强低松弛刚绞线，fpk=1 860 MPa。

2.2.2 外荷载数据

(1)承载能力极限状态下，上部结构传给支座的最大反力按照7 260 kN计算。

(2)使用极限状态长期荷载作用下，上部结构传给支座的最大反力按照5 313.4 kN计算。

(3)使用极限状态短期荷载作用下，上部结构传给支座的最大反力按照5 034.4 kN计算。

(4)梯形段自重按照81.54 kN的轴力，以及47.7 kN·m的偏心弯矩计算。

(5)风荷载水平力取值为80.6 kN，弯矩取值为427.2 kN·m，分项系数取值为1.1。

(6)钢束参数及数量取值(预应力钢束布置方案图如图3):

张拉控制应力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa;

松驰系数取0.3，孔道摩阻0.25，孔道偏差0.0 015，锚具变形0.006;

钢绞线数量: (m束×n股):3×9。

图3 预应力钢筋混凝土偏心桥墩预应力钢束布置图(单位:cm)

2.3 计算及分析

2.3.1 承载能力计算

2.3.1.1 工况Ⅰ横向稳定检算

a. 按轴心受压构件进行横向稳定检算:

偏心墩墩身的力学模型按轴心受压构件进行横向稳定检算，根据《钢筋及预应力混凝土规范》第5.3.1 条规定进行验算如下:

γo×Nd≤0.9φ(fcd×A+fsd'×As')

式中参数取值见表1所列。

表1 轴心受压构件横向稳定检算参数表

计算结果见表2所列。

表2 轴心受压构件横向稳定检算结果-览表

张拉预应力阶段:

γo×Nd=3 302 kN≤0.9φ(fcd×A+fsd'×As')= 39 900 kN，符合规范规定。

运营阶段:

γo×Nd=7 633 kN≤0.9φ(cd×A+fsd'×As')= 39 900 kN，符合规范规定。

b. 按偏心受压构件进行横向稳定检算:

偏心墩墩身的力学模型按偏心受压构件进行横向稳定检算，根据《钢筋及预应力混凝土规范》第5.3.3～5.3.5条规定进行验算如下:

结构需要先进行大偏心与小偏心结构的判断;具体参数见表3所列。

假定按大偏心受压，σs=fsd=280 MPa

fcd×b×x(es-ho+x/2)=σs×As×es+f'sd×A's×e's可归类为:

0.5×fcd×b×x2+(es-ho)×fcd×b×x-(σs×As×es+f'sd× A's×e's)=0

根据A×X2+B×X-C=0求解公式，求解过程及结果如表4所列。

对于上述两阶段显而易见:

X>2a's=2×50=100(mm).

ξ=X/ho

张拉预应力阶段:

ξ=0.105≤ξb=0.56，因此该阶段为大偏心受压构件。

运营阶段:

ξ=0.330≤ξb=0.56，因此该阶段为大偏心受压构件。

根据公式(5.3.5-1)式:

γo×Nd≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs×As

张拉预应力阶段:

γo×Nd=2 930(kN)≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs×As= 4 588(kN)，符合规定。

运营阶段:

γo×Nd=7 260(kN)≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs× As=12 033(kN)，符合规定。

根据公式(5.3.5-2)式:

γo×Nd×e≤fcd×b×X×(ho-X/2)+f'sd×As'× (ho-a's)

张拉预应力阶段:

γo×Nd×e=7 255(kN·m)≤fcd×b×X×(ho-X/2)+ f'sd×As'×(ho-a's)=11 362(kN·m)，符合规定。

运营阶段:

γo×Nd×e=14 769(kN·m)≤fcd×b×X×(ho-X/2)+ f'sd×As'×(ho-a's)=24 479(kN·m)，符合规。

c. 裂缝检算(偏心受压):

各参数如表5、表6、表7所列。

根据公式:Wtk=C1×C2×C3×σss/Es×[(30+d)/ (0.28+10×ρ)]

张拉预应力阶段:

W tk=0.0 834(mm)<0.2 mm，符合规定。

运营阶段:

Wtk=0.1 612(mm)<0.2 mm，符合规定。

表3 轴心受压构件横向稳定检算参数表

表4 轴心受压构件横向稳定检算结果-览表

表5 裂缝检算(偏心受压)参数表(1)

表6 裂缝检算(偏心受压)参数表(2)

表7 裂缝检算(偏心受压)参数表(3)

2.3.1.2 预应力损失验算

根据该结构特点，经过验算，符合规定。

2.3.2 计算分析结论

根据上述的简化模型分析，以及计算结果，可得到如下结论:(1)根据对简化后模型的判断，预应力混凝土偏心墩对上部结构受力除了单支座的影响外无其他不利影响;(2)当下部结构应用预应力混凝土偏心墩后，在一定范围内可以减少工程造价;(3)在有机调整墩身各部位尺寸后，采用大偏心受压构件——即预应力混凝土偏心墩，可以在“异形”建筑用地上有效实现下部结构的功效。

3 结语

通过对南方某沿海城市快速路项目中，某高架桥梁的下行匝道桥预应力混凝土偏心墩的讨论分析，得到一些针对能保证异形建筑用地正常适用、桥下建筑限界和建筑高度的预应力混凝土偏心墩设计有用的分析方法和结论，有利于经济较发达地区现代化城市中的高架桥梁设计;同时分析证明了利用预应力混凝土偏心墩在一定范围内减少工程造价、降低养护难度和养护成本的可能性。

U443.22

B

1009-7716(2015)11-0073-04

2015-08-10

姚莉(1985-)，女，甘肃天水人，工程师，从事公路与市政道路工程设计设计工作，研究方面;桥梁工程。