横向偏心桥墩的设计探讨

肖 春，钱治杭，李 杰

（1.中恒工程设计院有限公司，四川 成都610017；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司成都分公司，四川 成都610017；3.核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都610065）

0 引 言

随着社会经济的快速发展，城市高架桥因具有占地少、受周边交通干扰小等优点，对缓解城市交通压力起到很大作用，已成为现代交通体系中重要的一环。城市高架桥的桥墩布置不仅要考虑高架桥本身的需求，还需兼顾桥下道路净空以及整体景观需求。当高架桥中心线与桥下道路分隔带中心线不重合，或桥墩布设受河道、地铁、管线等限制时，采用横向偏心桥墩是一种有效的办法。

横向偏心桥墩在国内已有应用案例。李林[1]在重庆市轻轨工程设计过程中，在轻轨线路跨越较窄道路时采用了大偏心预应力拉杆式倒L形墩，桥墩的最大净偏心距为2.75 m。林曜沧等[2]对台湾国道1号五股杨梅段拓宽工程泰山收费站至林口段，上、下层均采用大偏心独柱的桥墩进行了设计与静、动力分析，同时对柱内配置的H型钢和预应力钢键作了进一步分析与探讨。刘大庆等[3]在成都市二环路高架桥成温立交C匝道采用了偏心受力较大的倒L形桥墩，对该桥墩进行了计算分析及结构设计。姚莉[4]针对南方某沿海城市快速路下行匝道的预应力混凝土偏心桥墩，分析了以现浇连续箱梁作为上部结构部件时该桥墩的受力特点，得到了一些对预应力混凝土偏心桥墩设计有用的分析方法和结论。

1 工程概况

凤凰山高架桥工程全长约7.7 km，是成都市城北片区重要的快速放射线。高架桥在ZX22#～ZX62#桥墩之间1147 m范围内采用双层桥面，上层桥面通行双向2车道的BRT车道，下层桥面通行双向4车道社会车辆，桥墩采用双层桥墩[5]。

受三环路内侧BRT车辆停保站的影响，ZX49#上层桥墩采用横向偏心墩，偏心距为1.55 m。该桥墩为第16联与第17联的分联墩，上层桥面第16联采用（2×21+22）m跨径的三角异形钢箱梁，第17联采用（30+26）m钢箱梁，上部结构的标准宽度为9.5 m，横断面如图1所示。

图1 桥梁横断面图（单位：cm）

2 上层桥墩构造

2.1 桥墩一般构造

ZX49#桥墩为双层桥墩，下层盖梁长22.85 m，顶宽2.4 m，中心高2.5 m，盖梁顶设1.5%双向横坡。主墩墩身截面尺寸为7.0 m×1.8 m，边缘的圆弧倒角半径0.2 m，横桥向表面设下凹3.0 m×0.2 m的装饰槽；辅墩墩柱截面尺寸为1.5 m×1.8 m，边缘的圆弧倒角半径0.2 m，横桥向设表面下凹0.5 m×0.1 m的装饰槽；墩身外侧自立柱底至盖梁顶设落水管槽口，槽深0.275 m。

上层采用偏心桥墩，盖梁顶宽2.4 m，中心高2.2 m，长10.196 m，盖梁顶设1.5%双向横坡，墩柱截面尺寸为2.2 m×1.8 m，边缘的圆弧倒角半径为0.2 m，横桥向表面设下凹0.5 m×0.1 m的装饰槽，墩身与盖梁在纵、横桥向均采用圆弧过渡连接。墩柱外侧自立柱底至盖梁顶留落水管槽口，顶口尺寸为0.25 m，底口尺寸为0.23 m，槽深0.225 m，其构造图如图2所示。

图2 ZX49#上层桥墩一般构造图（单位：cm）

2.2 上层桥墩预应力构造

上层墩柱、盖梁均采用A类预应力混凝土构件，预应力采用低松弛高强度钢绞线，其抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，公称直径d=15.2 mm。墩柱预应力采用4束15-13钢绞线，盖梁预应力采用4束15-15钢绞线，均采用单端张拉，预应力构造如图3所示。

图3 ZX49#上层桥墩预应力构造图（单位：cm）

为保证外观、避免突兀，往往在构件内设置预应力张拉端槽口，此构造需截断槽口处的普通钢筋从而导致截面削弱。为避免张拉端槽口截断盖梁顶的普通钢筋，采用在上层桥墩的盖梁顶设置凸出块作为墩柱钢束的张拉端，凸出块尺寸为2.4 m（长）×0.5 m（宽）×0.3 m（厚），且由于凸出块顶部为钢箱梁，其设置不会影响盖梁的整体外观。

2.3 技术标准

（1）设计车速：BRT专用匝道40 km/h。

（2）设计荷载：城-A级。

（3）抗震等级：地震基本烈度为7度。

2.4 主要材料

墩柱、盖梁均采用C50混凝土，承台采用C35混凝土，桩基采用C35水下混凝土。上层墩柱及上层盖梁内的普通钢筋均采用HRB400钢筋。

3 上层桥墩计算分析

3.1 计算模型

3.1.1 单元节点划分

采用Midas Civil程序对上层桥墩进行结构分析及验算，将墩柱划分为18个梁单元，将盖梁划分为22个梁单元，计算模型如图4所示。

图4 上层桥墩有限元模型

3.1.2 模型的边界条件

与上层桥墩墩底对应的下层墩柱为7.0 m×1.8 m的实心截面，且下层桥墩的基础、墩柱、盖梁截面尺寸均较大，因此在上层桥墩的底部施加固结约束作为边界条件。

3.1.3 上层墩柱截面的等效截面

上层墩柱在纵、横桥向设置的槽口及矩形长、短边之间的圆弧倒角将对截面造成削弱，为便于计算，将墩柱截面等效为宽度为b、高度为h的矩形截面，如图5所示。

图5 墩柱等效截面示意图

等效矩形截面可采用面积等效或抗弯惯性矩等效[6-7]，据此原则提出如下2种等效方案。

等效方案一：等效截面的面积A、横桥向抗弯惯性矩Iyy与实际截面相等；

等效方案二：等效截面的横桥向抗弯惯性矩Iyy、纵桥向抗弯惯性矩Izz与实际截面相等。

实际墩柱截面的面积A=3.737 7 m2，横桥向抗弯惯性矩Iyy=1.451 7 m4，纵桥向抗弯惯性矩Izz=0.985 1 m4。

根据方案一的等效原则，得到式（1）：

求解可得：

根据方案二的等效原则，得到式（2）：

求解可得：

根据b1、h1、b2、h2值，可得等效矩形截面的特性值见表1。

表1 墩柱截面特性表

从表1可看出，等效方案一截面的Izz相对误差为5.2%，等效方案二截面的A值相对误差为1.3%，二者的相对误差均可满足工程的精度要求。考虑到上层桥墩的主要受力方向为横桥向，与面积A、横桥向抗弯惯性矩Iyy的相关性较大，而与纵桥向抗弯惯性矩Izz的相关性较小，故采用等效方案一进行截面等效。

3.1.4 施工步骤

上层桥墩共分为5个施工步骤（见表2）。

表2 上层桥墩施工步骤表

3.1.5 计算荷载

（1）结构自重：钢箱梁自重γ=78.5 kN/m3，沥青混凝土自重γ=24 kN/m3，单侧防撞护栏自重取为12.5 kN/m。

（2）预加力：预应力张拉控制应力均采用0.7fpk=1 302 MPa，均采用单端张拉。

（3）汽车荷载：城-A级，按双车道加载。

（4）收缩徐变：按规范[8]的规定取值，环境年平均相对湿度取80%。

（5）体系温度作用：整体升温20℃，整体降温-20℃。

3.2 上层桥墩验算结果

3.2.1 盖梁正截面抗弯验算

持久状况承载能力极限状态下，上层盖梁为受弯构件，其最大弯矩值为19 527.3 kN·m，小于其对应的弯矩抗力值27 543.8 kN·m，满足规范[8]第5.2.2条要求。

3.2.2 墩柱正截面抗压验算

持久状况承载能力极限状态下，上层墩柱为大偏心受压构件，其最大轴力设计值为9 014.8 kN，小于其对应的轴力抗力值12 694.2 kN，满足规范[8]第5.3.5条要求。

3.2.3 使用阶段抗裂验算

上层墩柱在正常使用极限状态短期、长期组合下，截面上、下缘的最小正应力见表3，均满足规范[8]要求。

表3 上层桥墩盖梁、墩柱正截面抗裂验算表

作用短期组合下，盖梁截面的最大主拉应力为-0.6 MPa，墩柱截面的最大主拉应力为-0.54 MPa，均小于容许值0.5ftk=-1.33 MPa，均满足规范[8]第6.3.1条要求。

3.2.4 其他验算结果

盖梁、墩柱截面的抗剪承载力、使用阶段正截面及斜截面的压应力、使用阶段钢束应力、施工阶段各截面应力、盖梁挠度等均满足规范[8]要求，此处不一一列出。

4 结语

本文介绍了凤凰山高架桥ZX49#偏心桥墩的设计及计算分析，得到以下主要结论：

（1）城市桥梁受周边条件限制往往结构复杂，采用预应力偏心桥墩是一种可行的解决方案。

（2）上层桥墩墩柱为异形截面，通过对面积A+横桥向抗弯惯性矩Iyy、横桥向抗弯惯性矩Iyy+纵桥向抗弯惯性矩Izz等2种等效矩形截面进行比选，发现二者均可满足工程的精度要求。考虑到上层桥墩主要受力方向为横桥向，与纵桥向抗弯惯性矩Izz的相关性较小，故采用面积A+横桥向抗弯惯性矩Iyy等效的方式来确定等效矩形截面。

（3）本桥墩的实施过程十分顺利，上层墩柱预应力施工如图6所示。目前凤凰山高架桥已通车运营2年有余，ZX49#桥墩的整体状况良好，上层桥墩的运营照片如图7所示。示本偏心桥墩的设计经验可为今后类似的结构设计提供参考。

图6 上层墩柱预应力定位

图7 上层桥墩运营照片