双支座独柱墩墩顶配筋优化研究

2020-02-25赵阳王建兵曾平王瑞康

铁路技术创新 2020年6期

赵阳，王建兵，曾平，王瑞康

（北京铁辰工程监理有限公司工程管理部，北京 100084）

0 引言

上跨铁路桥梁通常受到施工空间限制采用整幅转体，桥面宽度较大［1-4］，而桥墩根部受转盘尺寸限制，所以此类桥转体墩多采用倒梯形［5-6］。倒梯形双支座独柱墩由于自身受力特点通常会在墩顶产生较大拉力，设计过程中常会遇到墩顶计算配筋过多的情况。合理评估墩顶配筋数量对结构安全以及控制施工难度和造价有十分重要的意义。

1 工程概况

以某跨铁路混凝土连续梁桥为依托，线路等级为城市主干路，设计速度60 km/h。设计荷载采用城-A 级，跨铁路孔及相邻孔汽车活载提高30%。标准路面横坡为±1.5%。铁路限界：（1）满足规范铁路双层集装箱限界要求，桥下铁路轨面至梁底净高按≥7.96 m，平面净距≥3.1 m；（2）转体施工梁底至承力索的最小安全距离≥0.7 m。公路限界：既有及规划道路净高≥5.0 m。标准断面布置：1.0 m（监测网）+0.6 m（防撞墙）+3.0 m（人非混行道）+0.6 m（防撞墙）+0.75 m（侧向净宽）+（2×3.5+3.25） m（机动车道）+2.0 m（中央分隔带）+（3.25+2×3.5） m（机动车道）+0.75 m（侧向净宽）+0.6 m（防撞墙）+3.0 m（人非混行道）+0.6 m（防撞墙）+1.0 m（监测网），桥面总宽度34.4 m。

主桥采用（95+162+95） m 连续箱梁，上部结构采用单箱四室斜腹板截面；沿箱梁结构中心线中支点处梁高9.5 m，边支点等高段及跨中梁高3.5 m，等高段长15.34 m；其余梁底线形按1.6次抛物线变化。箱梁顶板宽34.4 m，底板宽20.503～25.957 m。两侧悬臂长3.0 m；悬臂板端部厚0.2 m，根部厚0.6 m，横桥向悬臂厚度线性变化；箱梁顶板厚0.30 m，中支点左右两侧25.5 m，范围顶板厚0.52 m，边支点及中支点处均增厚0.3 m；底板厚0.3～1.0 m，中支点和边支点处分别增至1.55、0.60 m；边腹板、中腹板厚度为0.5～0.8～1.2 m。中支点处对应墩身设置中横梁，厚5.0 m，边支点处端横梁厚2.0 m。

边墩为3柱式墩，整幅布置，盖梁采用钢筋混凝土盖梁，顺桥向宽28 m，高度2.6 m，墩柱横向布置3个，平面尺寸为2 m×2 m。下接“王”字形承台，厚3.0 m。基础采用6根φ1.8 m的钻孔灌注桩。

分析对象为该跨线桥转体墩。转体墩采用固定支座，墩身采用矩形变宽截面，墩身平面尺寸为4.8 m（纵桥向）×（12.0～14.0） m（横桥向）。转盘结构采用环道与中心支承相结合的转动体系；基础采用25 根φ1.8 m的钻孔灌注桩，具体尺寸见图1。

2 规范算法

根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（简称新《桥规》）［7］第8.4.7 条，双支座独柱墩的墩顶配筋采用拉压杆法进行简化计算。规范拉压杆计算公式如下：

式中：Tt，d为墩顶的横向拉杆内力设计值；Fd为墩顶的竖向力设计值，按基本组合取用；s 为双支座中心距；h 为墩顶横向变宽度区段高度，当h＞b 时，取h=b，b 为墩帽顶部横向宽度；b'为距离墩顶高度为h 位置处墩帽或墩身的横向宽度；fsd为普通钢筋抗拉强度设计值；As为拉杆中普通钢筋的面积，按盖梁顶部2h/9 高度范围内的钢筋计算；γ0为重要性系数。

新《桥规》中给出的双支座独柱墩的拉压杆的计算图示见图2。

图2 双支座独柱墩的墩拉压杆的计算图示

工程计算参数取值如下：墩顶横向变宽度区段高度h=4.5 m，墩顶基本组合竖向力设计值Fd=167 580 kN，双支座的中心距s=10 m，距墩顶高度为h的位置处墩身横向宽度b'=12 m。墩顶拉杆拟配置HRB400 的φ28 mm 钢筋，重要性系数γ0=1.1，钢筋抗拉强度值fsd=330 MPa。

根据以上参数计算的墩顶拉杆拉力Tt，d=0.45×167 580×（2×10-12）/4.5=134 064 kN。HRB400 钢筋对应的配筋面积As=1.1×134 064×1 000/330=446 880 mm2，换算为φ28 mm 钢筋所需数量为446 880/615.8=726（根）。墩顶宽4.8 m，按照双根一束间距10 cm 配置钢筋，每层配置96根，配置726根钢筋需要8层。

可见，计算的配筋面积明显超出了常规结构配筋规模，如果按照新《桥规》计算配筋面积进行设计，不仅要耗费大量钢筋，且8层钢筋对设计构造处理以及实际施工都会带来较大难度。为了获得更加真实的桥墩受力情况和配筋需求，采用有限元实体模型对墩身进行模拟。

3 有限元模型

采用有限元软件Abaqus建立目标桥墩模型。Abaqus具有完备的可视化操作界面和求解模块，适合对复杂实体进行受力分析。其中求解模块分为Standard和Explicit。Explicit属于显示积分求解模块，用于进行撞击、冲击等短促高频动力分析。Standard用于常规动力和静力分析。此次模拟采用Standard模块对桥墩进行静力分析。

实体模型的模拟范围为双支座独柱墩的支座垫石、墩身以及承台。模型采用N、mm量纲系统进行建模。

目标桥墩的支座垫石、墩身以及承台均采用C50混凝土，其材料特性使用线弹性本构关系模型模拟。本构模型参数如下：弹性模量取3.45e4 MPa，泊松比取0.2。

根据圣维南定理，桩基础距离分析关注区域较远，其边界处理对分析结果影响很小。所以模型中将承台与桩基础、承台底部地基之间的受力边界简单处理为承台底采用全固结。通过上部结构传递至支座的荷载和活载模拟为作用于支座垫石顶部的均布力。

为兼顾仿真分析的精确性和计算资源的可行性，有限元单元网格一般尺寸取50 cm。全模型采用二阶检索积分六面体实体单元，总计6 612 个单元、30 338 个节点，单元分布见图3。

图3 实体模型单元分布

模型中考虑的荷载如下：

（1）墩身自重：软件自动根据实体体积和密度参数计算，钢筋混凝土容重取26 kN/m3。重力加速度取9.8 m/s2，荷载分项系数1.2。

（2）支座基本组合荷载：桥墩2个支座的基本组合总荷载为335 160 kN。

4 结果分析

为了得到墩顶横桥向受拉区域的分布范围，通过调整输出选项，将图中横桥向正应力为压应力的区域输出为黑色，输出桥墩横桥向正应力云图见图4。可见，从墩顶向下的5层单元的范围内显示为彩色，第6层以下均显示为黑色。由于单元网格的标准尺寸均为0.5 m，可知自墩顶以下2.5 m范围内的横桥向正应力均为拉应力。

图4 桥墩横桥向正应力云图

为了得到墩顶横桥向拉杆所对应的总拉力，偏于保守地假定，自桥墩顶面以下2.5 m范围内结构产生的拉力均由钢筋承担。提取该范围内的横桥向总拉力结果（见图5），可见，墩顶总拉力Tt，d=39 680 kN。

图5 墩顶区域横桥向总拉力

为方便与新《桥规》计算结果对比，将墩顶横桥向拉力换算为钢筋面积。根据式（1），采用HRB400钢筋则需要的钢筋总面积为1.1×3.968e7/330=132 267 mm2。按照φ28 mm钢筋计算则所需钢筋数量为132 267/615.8=215（根）。按照双根一束间距10 cm配置钢筋，仅需配置3层钢筋。根据以往设计经验，由实体模型计算得到的配筋计算结果更加现实。

但有限元的计算结果同样表示，双支座独柱墩的墩顶存在较大的横桥向拉应力，为了合理化配筋，降低墩顶开裂风险，进一步提高桥墩的耐久性能，建议在墩顶设置横桥向预应力钢筋代替普通钢筋。如采用标准抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线，则抗拉强度设计值为1 260 MPa，需要的钢筋总面积为1.1×3.968e7/1 260=34 642 mm2。按照15.2 mm 钢绞线计算，所需钢筋数量为34 642/139=250（根）钢绞线。采用19-φs15.2钢束配合φ内108 mm金属波纹管，可一层布置7束，分2层布置。