山区桥梁高立柱框架墩设计

邱建冬

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概述

西凌井枢纽为北二环高速起点与太佳高速T型交叉枢纽，位于太原市阳曲县西凌井乡扫峪村南，距离西凌井乡约5 km。此枢纽主要服务于太佳高速公路与本项目的交通流转换。该枢纽主线桥跨越凌井河，与凌井河角度斜交，交角较小。按照防洪评价标准，桥梁在主河槽范围内进行布设，须满足桥梁桥墩在主河槽断面的投影面理论重合，以满足防洪评价关于阻水比（桥墩投影宽度/河道宽度）不超过20%的要求。

2 框架墩设计

西凌井枢纽主线桥9、10、11号桥墩跨越凌井河，河道宽约30 m，按照常规进行布设桥孔，左右幅分别考虑桥墩布设，其桥墩盖梁长度会减小，节约工程规模，但4个桥墩位于河道内，但其投影到主河道断面的宽度为12 m，阻水比计算结果为40%，不满足防洪评价要求，如图1所示。

图1 9、10、11号桥墩位置平面图

为了满足防洪要求，设计时以10号墩中墩为基准点，两个边墩布设在河道之外。将9号墩的左边墩和11号墩的右边墩，放置到10号墩中墩沿河流主断面的投影位置当中，使得3个桥墩的中墩的投影面重合，投影到主河道断面的宽度为4.2 m，阻水比计算结果为14%，满足防洪评价要求，如图2所示。图1、图2中从左至右依次为9号墩、10号墩、11号墩，阴影部分为凌井河区域。

图2 9、10、11号桥墩位置优化后平面图

9号墩～11号墩采用三柱式矩形墩，均为非对称式框架墩，跨度分别为 （25+13）m、（15+24.5）m、（21+18.9）m，盖梁宽3.4 m，高3 m，采用预应力钢束，钢束形状如图3所示。墩身尺寸为3×3 m，桥墩最大高度为39 m，具体尺寸如图4所示。9号墩左幅上部设置9片T梁，右幅6片T梁；10号、11号墩左幅上部设置8片T梁，右幅6片T梁，盖梁承受上部T梁的偏载作用。

图3 10号桥墩盖梁钢束图（单位：cm）

图4 10号桥墩立面图（单位：cm）

3 计算模型

根据桥墩所受上部荷载的偏载作用及三柱的跨度综合考虑，本文选取10号墩作为计算对象，计算内容包括盖梁、墩身的承载力、应力和裂缝等。桥墩采用大型有限元分析软件Midas Civil 2020进行计算分析，建立主桥成桥阶段和施工阶段有限元模型，构建总体静力分析计算模型，整体静力计算模型如图5所示。

图5 10号墩计算模型

3.1 设计参数取值

盖梁采用C50混凝土，墩身采用C40混凝土，承台桩基采用C30混凝土，预应力钢绞线采用Strand1860，弹性模量1.95×105MPa，容重78 kN/m3。

上部主梁恒载重按照14片T梁的支点反力施加，混凝土收缩徐变均按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）取值，考虑主梁C50混凝土10年的收缩徐变效应，基础沉降按-5 mm考虑。

汽车活载取公路-I级，车道纵、横向折减均按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[1]取值，其中冲击系数u=0.3；计算体系升温25℃，体系降温-25℃。

将风荷载分W1风和W2风，其中W1风可与活载进行组合。W1风荷载：参考《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]取值，桥面处风速为25 m/s；W2风荷载：按照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]取值，基本风速为32.6 m/s；风荷载与其他荷载组合按照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）3.3.1条执行。

3.2 框架墩盖梁验算结果

盖梁的验算按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[3]执行，主梁为A类预应力结构，安全等级为一级。

运营状态下，盖梁在恒载状态下上缘的最大压应力为-9.8 MPa，位置位于中墩墩顶处，下缘的最大压应力为-9.0 MPa，位置位于第二跨跨中处。盖梁在车道活载状态下主梁上缘的最大压应力为-1.5 MPa，位置位于中墩墩顶处，主梁下缘的最大压应力为-1.8 MPa，位置位于第二跨跨中处，均小于混凝土的最大压应力-16.2 MPa，满足规范要求。

盖梁在正截面抗弯承载能力最大值为116400kN·m，小于其允许抗弯承载能力173151kN·m，位置位于第二跨跨中处；正截面抗弯承载能力最小值为-34 600 kN·m，小于其允许抗弯承载能力-86 576 kN·m，位置位于中墩墩顶处。

盖梁加密区箍筋为10Φ12@100 mm，非加密区箍筋为10Φ12@150 mm，受拉钢筋距截面边缘距离as为60 mm，斜截面抗剪承载能力为18 532 kN，小于其允许抗剪承载能力27 797 kN，位置位于中墩处。

综上所述，10号墩盖梁的不同工况下上下缘应力、各截面抗弯承载力、各斜截面抗剪承载力均满足现行规范要求，其余各项具体计算指标结果如表1所示。

表1 盖梁计算结果表 MPa

4 框架墩墩身验算结果

荷载组合按照《公路桥涵设计通用规范》[1]以及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[3]执行，风荷载与其他荷载组合时按照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]3.3.1条执行，对10号墩在运营新状态下，基本组合以及短期组合下该墩的受力情况及裂缝进行验算。

4.1 承载力计算结果

桥墩采用C40混凝土，主筋为HRB400钢筋直径28 mm双排布置。桥墩纵弯计算长度偏安全取实际长度的2倍，横弯计算长度取实际长度的2倍。承载力验算过程中未计入腹板侧钢筋的作用。本模型计算结果选取该桥墩的左墩、中墩、右墩的墩顶和墩底的6个截面位置，查看其基本组合下内力，结果表明10号墩横向、纵向的轴向压力均小于其偏向承载压力，偏压破坏形态均处于偏压形态，安全系数分别不小于1.55、1.45，主墩偏压承载力满足规范要求。

4.2 裂缝验算结果

本模型计算结果选取该桥墩的左墩、中墩、右墩的墩顶和墩底的6个截面位置，在频遇值组合下纵、横向下的内力，结果表明在横向偏压作用下，均满足e0/h＜0.55，无需验算裂缝宽度，满足现行规范的要求；在纵向偏压作用下最大宽度值为0.11 mm，满足现行规范的要求。

5 结论

本文以太原北二环高速西凌井枢纽主线桥为依托，针对其9号～11号桥墩跨越凌井河，考虑到防洪评价的要求，采用了三柱式矩形墩大跨度框架梁进行设计，选取其10号墩，通过Midas桥梁有限元计算软件对其盖梁、墩身的承载力及强度均进行了验算，确定该种桥墩的设计可行性，对类似高速的高墩设计具有一定的指导意义。