大跨度预应力混凝土框架墩受力分析

郑纪研，单宏伟，曹伟星，胡　洋

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005）

大跨度预应力混凝土框架墩受力分析

郑纪研，单宏伟，曹伟星，胡洋

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005）

大跨度预应力混凝土框架墩是常用的桥梁下部结构形式，文章分析了该类结构的受力特性，重点对群桩基础的几种建模方法进行了对比分析。并结合工程实际，总结了考虑群桩基础与框架结构共同工作的计算模型，提出了改善结构受力状态的施工措施，计算方法及施工措施可供类似工程参考。

框架墩；群桩基础；预应力混凝土受力分析；计算模型；施工措施

1 大跨度预应力混凝土框架墩受力特性

1.1 空间受力体系

大跨度预应力混凝土框架墩与普通桥墩相比在构造与计算上有其特殊性，在承受顺桥向荷载的同时，须承受自身平面内的荷载效应，因此，对于框架墩须采用空间计算模型进行分析。

1.2 框架整体刚度分配对框架墩受力的影响

框架墩墩梁连接构造分别有墩梁固结及墩梁铰接，对于墩梁固结情况，盖梁与墩柱的相对刚度对整体荷载分配影响较大，桥墩刚度较大，则盖梁所受弯矩较小，反之桥墩刚度较小则盖梁所受弯矩较大。根据参考文献［4］，横梁和墩柱的刚度比一般为1∶1～3∶1。

1.3 温度荷载对框架墩受力的影响

大跨度框架墩所承受各分项荷载效应中温度荷载效应所占比重较大，设计时应特别关注。

框架墩跨径、框架墩立柱尺寸对温度荷载影响较大，设计时应尽量减小框架墩跨径、减小立柱横向尺寸来减小温度荷载效应，改善结构整体受力状态。

1.4 基础刚度对框架墩受力的影响

桩基刚度的模拟对框架墩设计至关重要，桩基刚度模拟过大，会导致墩柱验算难以通过，盖梁设计偏于不安全，反之，桩基刚度模拟过小，会导致盖梁验算难以通过，墩柱设计偏于不安全。参考文献［2］～［4］对于此问题已给予详细阐述，本文就桩基刚度的常用模拟方法的优缺点做进一步深入讨论。

2 常用桩基模拟方法对比分析

常规桩基刚度模拟方法主要有以下几种［5］：

（1）群桩原始模型，建立实际桩基单元，桩侧及桩底约束采用土弹簧，土弹簧刚度按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（以下简称《地基规范》）（JTG D63—2007）中的m法计算。

（2）桩基等代模型，又分为等代双柱和等代单柱模型。

（3）含耦合项的群桩基础支撑刚度矩阵。

2.1 桩基刚度模拟差异

以上3种方法均以m法为基础进行桩基刚度模拟，第2种是根据第3种刚度矩阵的一种等代，这两种方法模拟的刚度完全一致。

在实际设计中，根据《地基规范》，地基比例系数m由在局部冲刷线以下换算深度为hm=2×（d+1）（d为桩径）范围内的土层特性确定，作为土层对桩的总体等效的m值，不能真正反映桩土弹性作用机理。因此，m法应用于非均匀土体，理论上必然存在误差，并与土层变形模量的空间分布相关，笔者认为采用土弹簧模拟方法更接近实际情况。

2.2 对桩基结构自身徐变效应的考虑

下部桩基的徐变对框架结构本身受力会产生比较大的影响，模拟与否对墩柱的影响不容忽视。第1种方法能够考虑下部徐变对框架的影响；第2种方法仅为刚度的等代；第3种为刚度矩阵，都不能实现对下部桩基徐变的考虑。

2.3 模拟方法的适用性

第1种方法为空间模型，适用于空间受力分析，但建模复杂，前期数据准备多，单元数量多，计算速度慢，模型修改不便，对于能简化为平面受力体系的结构而言，常不被采用。

第2种等代模拟方法为平面内刚度的模拟，仅适用于平面杆系模型；多为不能实现第3种方法的计算软件所采用，如QJX，其刚度矩阵不能考虑弯剪刚度的影响。

第3种为空间刚度的模拟，适用于平面（3×3刚度矩阵）及空间（6×6刚度矩阵）模型计算。

3 工程应用

3.1 工程概况

某双幅简支钢桁架梁桥，主墩跨径120 m，主桥上部跨越通航水域，下部水中墩采用三柱门架型桥墩（见图1）。桥墩盖梁高2.5 m，宽3.6 m，按部分A类构件设计，其材料采用C50混凝土。桥墩边柱考虑船撞采用直径为3 m的圆形墩柱，中柱采用长圆端型截面，宽3 m，长5 m，墩柱间距24.2 m，墩柱材料采用C40混凝土。桥墩基础采用直径1.5 m钻孔灌注桩群桩，其中边柱采用5根桩基、中柱采用9根桩基，桩基采用C30水下混凝土。

图1 钢桁架梁桥结构图

3.2 内力分析

框架墩平面内受力及各单项荷载效应对比见表1、表2。

表1 边墩柱顶弯矩 kN·m

表2 边墩柱底弯矩 kN·m

从表1、表2可以看出，框架平面内荷载效应较大，其中温度荷载效应所占比重最大，约为45%～67%。考虑此类结构对温度效应较敏感，设计时应从构造尺寸出发减小温度荷载效应。

桩基徐变荷载效应对整体受力影响大，采用土弹簧方法进行模拟，在不考虑桩基徐变影响下和采用支撑刚度矩阵模拟方法计算结果吻合较好，因此考虑桩基本身徐变影响是十分必要的。

4 改善大跨度预应力混凝土框架墩受力状态的施工措施

为改善大跨度预应力混凝土框架墩受力状态，除了从设计构造本身出发外，还可通过对框架结构进行预顶施工调整结构受力。

大跨度预应力混凝土框架墩在施工、运营过程中受盖梁自重、上部恒、活载支反力、预应力钢束等因素的影响，边墩柱柱顶产生向内侧水平位移。后期收缩徐变会进一步加大此变形，造成边墩的偏位，对边墩受力不利。为了改善结构受力状况，在盖梁施工前对边墩施加一个向外的水平顶推力，以抵消上述因素引起的边墩水平位移，减小边墩柱底弯矩效应，改善桩基承台受力状况。

精确顶推力大小的确定比较困难，根据位移反算的顶推力施加于结构后，由于徐变的影响，有效顶推力数值会慢慢发生改变，因而不能达到预期的效果。

为进一步改善结构受力条件，对依托工程进行施工阶段预顶，预定力120 t，距离墩顶1.2 m，加载示意图见图2，施加预应力后边墩柱底弯矩见表3。

图2 预顶力施加示意图（单位：kN）

由表3可见，施加预顶后，调整了边墩受力状态，由于徐变作用，10年后预顶效应剩余约40%。

合理顶推力可通过工程经验估算，借助有限元程序综合比较施工、运营阶段结构整体受力状态，多次试算获得，同时设计应补充顶推工况结构受力验算。

表3 施加预顶力后边墩柱底弯矩

5 结论

大跨度预应力混凝土框架墩为空间受力体系，该类结构受温度荷载影响大，对桩基刚度敏感，本文认为采用建立实际桩基，桩侧建立土弹簧约束的桩基模拟方法，同时考虑下部桩基徐变影响的精细化分析是十分必要的。

受客观条件的制约，当大跨度预应力混凝土框架墩受力状态不合理时，可通过对边墩施加预顶力等施工措施来改善结构受力。

［1］JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［2］余江.高速公路大跨径框架墩的设计研究［J］.公路交通科技，2011.

［3］万明.刚度在框架墩计算中的影响［J］.铁道勘察，2010.

［4］田万俊.预应力混凝土框架墩设计研究［J］.铁道标准设计，2003.

［5］刘志才.群桩基础支撑刚度的模拟方法［J］.中国市政工程，2013.

［6］李冬.动漫桥框架结构预顶施工技术探析［J］. 城市建筑，2012.

Mechanial Analysis on Prestressed Concrete Framework Pier with Long Span

Zheng Jiyan， Shan Hongwei， Cao Weixing， Hu Yang
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210005， China）

Large span prestressed concrete framework piers is commonly used in substructure. This paper analyzes the structure characteristics of concrete framework piers and modeling methods for the group pile foundation mainly. Combining with engineering practice， the calculation models that take into account of the group pile foundations working together with frame are proposed. The calculation methods and construction measures are put forward to improve structure stress state， which could be taken as reference to the similar structures.

framework pier； group pile foundation； prestressed concrete； mechanic analysis； calculation mode； construction measures

U443.22

A

1672-9889（2016）01-0042-03

郑纪研（1981-），男，河南新乡人，工程师，主要从事桥梁设计工作。

2016-01-10）