三柱式预应力门架墩结构分析与计算

张荣荣，刘军锋

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

随着我国交通运输事业的快速发展，相交道路在平面布置上发生冲突的情况也随之增多，为满足桥梁跨越要求，通常采用的措施有：采用大跨桥梁一孔跨越；在下方道路中央分隔带设立桥墩；采用门架墩将墩柱放置于下方道路路幅以外。相较于采用大跨桥梁一孔跨越和中央分隔带设墩而言，采用门架墩具有较大的经济优势，同时可以减小施工期对下方道路的影响，确保运营期桥墩的安全性，因此近年来门架墩在工程建设中得到了广泛的应用。本文以襄阳绕城高速公路三柱式预应力门架墩设计为例，对门架墩支承形式的选择及配束方式进行研究，最终为类似工程项目提出建议。

1 项目概况

襄阳绕城高速公路主线桥梁跨越地方一级公路，桥梁全长266 m，宽26 m，上部结构为2×30 m预制小箱梁+2×58 m钢混组合梁+3×30 m预制小箱梁。由于高速公路与一级公路交角较小，为满足跨越要求，下部结构在2#墩处设置门架墩，门架墩跨径为8.2 m+14.5 m。

门架墩设计时首先应初步拟定盖梁及桩柱的结构形式及尺寸，根据以往的工程经验，本桥门架墩盖梁按A类部分预应力混凝土构件进行设计，矩形截面，高2 m，顺桥向宽2.5 m；对于桩柱结构形式，市政工程多采用方形墩接承台、桩基，本桥为保证桥墩结构形式的一致性，门架墩采用圆形墩，桩柱直径采用2.0 m+2.2 m。盖梁采用C40混凝土，墩柱、桩基采用C30混凝土。

2 结构受力分析

2.1 支承形式拟定

门架墩设计时墩柱与盖梁之间可通过设置支座或者固结的方式进行连接，考虑到桥梁上部结构荷载较大及活载引起的偏载效应，为确保门架墩的纵、横向稳定性，结合连续梁的受力特性，将中墩与盖梁进行固结，边墩可设置支座或固结。根据两边墩支承形式，考虑的方案主要有以下几种：

(1)盖梁与三个墩柱均采取固结；

(2)盖梁与中墩及右侧墩柱固结，左侧墩柱支座铰接支承；

(3)盖梁与中墩及左侧墩固结，右侧墩柱支座铰接支承；

(4)盖梁与中墩固结，两侧墩柱支座铰接支承。

2.2 结构有限元模型及计算参数取值

采用桥梁博士V3.6分别建立以上四种方案的有限元计算模型进行结构分析。

(1)桩-土作用模拟

在对门架墩进行计算时，由于盖梁、墩柱与桩基相互之间为固结联系，三者的内力及位移相互影响，往常的有限元计算常常对柱底进行固结来处理桩基，但当地质条件较差时会给计算结果带来一定的偏差。本桥2#桥墩处地表以下0～17 m为粘土层，其下为中风化灰岩，桩基嵌入中风化灰岩内，为保证结构计算的精确度，结构计算时应考虑桩基的刚度影响，对桩-土之间的相互作用进行模拟。桩-土作用效应模拟的主要方法有：①不建立桩基的结构单元，通过m法计算出桩基的等效刚度施加于墩柱底部；②建立盖梁、墩柱、桩基的整体化结构模型，通过m法计算出地基的弹性系数后等效为弹性约束模拟地基土的水平抗力，通过施加节点作用力模拟桩基的摩阻力。本文采用第二种方法进行结构计算，对粘土层中桩基通过m法计算出地基的弹性系数进行模拟，由于中风化灰岩处桩身已不承受弯矩，在进入中风化灰岩处对桩底进行固结。

(2)荷载参数选取

梁体自重及二期恒载根据上部结构计算结构直接施加于盖梁顶支座处。

上部结构通过设置自重为0的虚拟单元进行模拟，单元尺寸按端横梁的高度、宽度取值，桥面虚拟单元与盖梁单元采用主从约束进行连接，汽车荷载通过在桥面单元上横向加载进行计算，横向车轮荷载=冲击系数×[(小桩号侧桥孔长度+大桩号侧桥孔长度)×均布荷载/2+集中荷载(按两侧较大跨径计)×1.2]。

2.3 盖梁、墩柱受力分析

通过计算可得，恒载及活载作用下盖梁及墩身弯矩如表1、表2所示。

表1 恒载及活载作用下盖梁弯矩/KN·m

表2 恒载及活载作用下墩身弯矩/KN·m

通过对表1、表2中计算结果进行对比分析可以得出以下结论。

(1)盖梁弯矩主要由2#跨跨中及2#墩墩顶截面控制，方案三、方案四较方案一、方案二盖梁上缘弯矩相近，但下缘弯矩承受的弯矩要大出约25%，考虑到盖梁截面尺寸较大且为预应力结构，可通过适当调整钢束、钢筋数量来满足承载力及应力指标要求。

(2)方案一、方案二墩身承受的弯矩非常大，需对其承载力及裂缝宽度进行验算。通过计算可得方案一、方案二右墩墩身承载力在恒、活载作用下富余量不足5%，裂缝宽度分别达到0.248 mm、0.22 mm，不满足规范裂缝宽度0.2 mm的限值要求。考虑到墩柱为主要的承重结构且可能会承受车辆撞击、地震等偶然荷载的作用，应优先考虑其安全性，因此排除采用方案一、方案二。

(3)方案四与方案三盖梁及墩身弯矩较为接近，但方案三有两个墩柱固结，门架墩整体的稳定性较好，采用方案三对本桥门架墩进行设计。

2.3 盖梁预应力钢束设计

根据有限元模型按A类预应力混凝土构件对盖梁进行配束，综合考虑盖梁承载能力极限状态下的承载力及正常使用状态下的应力指标，最终确定盖梁共布置19根17-Φs15.2低松弛高强钢绞线，钢束锚下张拉控制应力为1 395 MPa，预应力钢束布置如图1所示。

图1 盖梁预应力钢束布置图

由于盖梁受力分为盖梁施工、梁体吊装、桥面铺装、成桥运营等多个阶段，施工过程中各阶段所受的外部荷载也有所不同，对于本桥预应力盖梁而言，若在盖梁浇筑完成后张拉全部预应力钢束，该阶段中墩墩顶处盖梁上缘压应力为21.5 MPa，2#跨跨中上缘拉应力为3.6 MPa，下缘压应力23.0 MPa，不满足混凝土抗压及抗裂的要求，因此预应力钢束应结合受力情况进行分批张拉，确保施工各阶段盖梁上下缘应力满足规范要求。

经过反复核算，最终确定盖梁预应力钢束张拉顺序按N4→N2→N3→架梁→N1→N5→桥面系进行施工，桥梁施工过程中盖梁未出现裂缝。

3 结 论

(1)门架墩作为一个框架结构，下部结构对盖梁的受力影响较大，在计算分析时应将盖梁、墩柱、桩基进行整体建模。

(2)对于三柱式门架墩，盖梁与墩柱固结处墩身截面所受的弯矩非常大，往往对整个门架墩的设计起控制作用，可通过采用支座支承的方式进行弯矩释放，避免墩身裂缝宽度过大，设计过程中应根据各支承形式下盖梁、墩柱的受力情况进行比选。

(3)盖梁预应力钢束的张拉顺序应充分考虑上部结构的施工工序，必要的情况下分批次张拉，避免盖梁出现裂缝或者受压破坏。