倒T型盖梁柱式墩设计方法综述

2021-11-10郭允飞

山西建筑 2021年22期

郭允飞

(江苏中设集团股份有限公司，江苏无锡 214000)

0 引言

随着经济社会的快速发展，中国城市面貌也焕然一新，城市规模不断扩大、城市人口日益增加，相应的衍生了城市出行远距离化、高峰期拥堵化的问题，因此便捷、高效的出行方式逐渐成为紧迫的民生诉求，这就要求城市交通需要以满足出行差异化为目标，加快朝着立体化交通体系发展方向迈进。

高架桥是实现城市交通立体化发展的有效手段之一，由于其地面辅路可满足常规出行需求，高架桥可满足远距离快速化出行需求，实现了不同出行需求的空间分离，大大提高了出行效率，同时由于其占地规模相对较小，建筑结构相对宏伟，对提高城市整体形象亦具有积极作用，因此近年来在城市交通建设中逐渐增多。

常规高架桥下部结构型式有柱式墩和盖梁柱式墩，柱式墩多用于上部结构有整体式横梁的结构，一般为现浇箱梁，由于现浇箱梁施工周期长、环境影响大，在建设条件受限的地方往往不能成为推荐方案。盖梁柱式墩上部结构一般为多片梁的桥梁结构，实际工程中上部结构多采用预制拼装结构，如小箱梁、板梁、T梁，因此其施工周期较短，造价较为经济，对周围环境的影响也相对较小。但受建设条件的限制，桥墩盖梁悬臂一般都较大，为满足受力需要，盖梁需要较大的截面高度，早期盖梁截面一般为矩形、L形，由于截面高度较大，外观效果一般，在城市高架桥中的应用受到限制。倒T型盖梁，将盖梁一部分高度隐藏于上部结构中，不仅改善了桥梁外观，而且有效降低了桥梁高度，节约了建设成本，由于其较为显著的经济技术优势，使得其被广泛应用于城市高架桥建设中[1]。

相较于柱式墩，倒T型盖梁柱式墩不仅在受力上变得复杂，而且其构造尺寸还需与上部结构相协调，随着工程应用的增多，倒T型盖梁的设计建造取得了重要的技术积累。文献[2]依托具体设计项目，对倒T盖梁的设计方法及要点进行了总结，并提出了常规的设计流程;文献[3]对倒T盖梁进行施工阶段及运营阶段的受力分析，得出了梁单元模型与实体模型计算的盖梁应力水平总体相当；文献[4]对倒T型盖梁预制安装方案进行了研究;文献[5]针对倒T盖梁每个桥墩两条缝的特点，重点对桥面连续进行了受力分析，并提出了跨缝材料采用弹性混凝土能有效降低桥面连续弯曲应力，改善跨缝处混凝土性能，并能有效限制混凝土裂缝开展，延长结构使用寿命。

在倒T型盖梁已有研究成果的基础上，本文以无锡某干线公路快速化改造项目为依托，对设计中遇到的关键技术问题进行了重点分析，并提出了一般性的解决方案，以期为倒T型盖梁的技术积累作出贡献，并为同类工程的设计提供参考。

无锡某干线公路快速改造方案采用高架桥型式，设计标准采用一级公路兼城市快速路，设计速度为80 km/h。高架桥上部结构采用装配式预应力混凝土简支小箱梁，下部结构采用倒T型盖梁柱式墩。高架桥标准横断面如图1所示，其中桥面宽33 m，共布置10片预制小箱梁，小箱梁间距3.3 m，立柱中心距离8 m，盖梁单侧最大悬臂长12.5 m；基础采用整体式承台群桩基础，桩基直径为1.5 m，共8根呈梅花形布置。

1 桥墩基础形式设计

高架桥桥幅较宽，桥下基础受地面辅道限制仅能设置在辅道中分带内，由于中分带宽度受用地红线等因素影响一般不会太宽，因此在进行高架桥基础形式选择时，往往采用整体式的承台群桩基础，如图1所示，这样可以保证承台不侵入或少侵入辅道路基范围，从而避免辅道路基不均匀沉降导致路面开裂问题。

大承台群桩基础，刚度较大，对承台上立柱的横向变形约束较强。当立柱高度较高时，由于立柱线刚度相对较小，因此立柱对盖梁的作用以竖向支撑为主，对盖梁的弯矩分布影响不大，随着立柱高度的不断增高，这种效用会愈加显著。但当立柱高度较矮时(一般在高架起终点落地处)，由于其线刚度显著增加，立柱对盖梁的作用将不再以竖向支撑为主，其不仅对盖梁的弯矩分布影响较大，同时在整体升降温以及收缩徐变作用影响下，立柱将对盖梁产生较大的轴向力，盖梁在立柱之间部分由主要以受弯为主的梁式构件转变为偏心受压(受拉)构件，盖梁应力指标较难控制，计算不易通过；同时桥墩立柱由于承担较大的弯矩，其开裂问题较为显著，往往需要加大立柱配筋来控制裂缝宽度，造成立柱配筋指标较高。

针对矮墩的问题，需要减小整体式承台对立柱的横向约束，其理论依据是通过改变立柱的边界约束条件以达到改变其线刚度的目的。有效的做法是，将整体式承台改为分离式承台，则立柱的横向约束主要由桩基与地基土之间弹性压缩提供，相较于刚性承台约束，此种方式将大大弱化立柱根部的横向约束作用，计算结果表明，此种情况下，立柱与盖梁受力均较为合理，其受力状态均得到较大改善。采用分离式承台后，承台一般会超出中分带范围侵入辅道路基，此时可通过加大承台埋深解决地基沉降差问题。分离式承台如图2所示，其中立柱分别支撑在独立的承台桩基础上，单个基础采用4根直径1.5 m桩基。

2 边墩与盖梁的连接方式设计

高架桥在桥面加宽处，需要设置边墩，以改善盖梁受力，避免盖梁因悬臂长度过长导致计算不易通过的情况。通常情况下，主墩立柱与盖梁之间采用墩梁固结方式，以保证盖梁的稳定性，边墩与盖梁的连接方式往往需要结合结构受力与后期维护等方面来综合比选确定，一般边墩与盖梁的连接采用支座或墩梁固结两种方式。单侧加宽及双侧加宽桥墩分别如图3，图4所示。

2.1 边墩与盖梁固结的受力特点分析

边墩立柱与盖梁采用固结方式，增加了桥墩结构的超静定次数，使得桥墩结构的受力更为复杂，由钢束二次力、温度作用、收缩徐变作用引起的桥墩结构的附加效应较为显著。但边墩采用墩梁固结方式，使得桥墩的整体设计原则和外观风格保持了统一，同时也避免了后期支座维护与更换的烦琐过程，对简化施工工序、降低后期维护成本较为有利。

为使边墩立柱与盖梁之间采用固结方式切实可行，需要采取措施弱化高次超静定引起的附加效应的影响。一般有效的做法是减小边墩的横桥向刚度，具体的措施有：

1)优化桩基布置形式减小基础的横桥向刚度，一般边墩桩基横桥向布置排数不宜超过2排，在满足受力情况下，优先选用单排桩基布置形式。

2)减小边墩立柱尺寸，增加边墩柱高。

考虑到边墩柱高由高架桥纵断面高程与基础埋深确定，若单纯为增加柱高而采取抬高纵断面高程或加大基础埋深，将显著增加工程造价，为欠合理方案，设计中一般不予采纳。同时在设计中，采取的边墩尺寸一般与主墩尺寸差异不大，避免同一桥墩立柱尺寸差异过大而引起视觉上的突变，增加感官上的不安全性；根据测算，边墩对附加效应更为敏感，往往横桥向边墩的受力较主墩更为不利。因此通过采取减小边墩立柱尺寸、增加柱高的方式来减小边墩刚度的措施，在设计中可操作的空间有限。

综合以上分析，边墩立柱与盖梁采用固结方式，适用于边墩柱高较高的情况，当柱高较矮时不宜采用。同时当盖梁悬臂较长时，边墩在温度作用与收缩徐变作用下，立柱开裂较难控制，此时不宜采用固结方式，应采用支座连接，以有效释放温度(收缩徐变)应力。

2.2 边墩与盖梁支座连接的受力特点分析

边墩与盖梁采用支座连接方式，相对于墩梁固结方式，力的传递与分配路径更为简洁明确，通过采取横桥向单项滑动支座，可以有效释放温度作用、收缩徐变作用引起的结构附加效应，结构的受力行为相对简单。但边墩采用支座连接方式，增加了桥墩立柱种类，且支座在运营期需要维护与更换，增加了施工工序及后期维护成本；同时由于主墩和边墩因连接形式不同容易造成顺桥向刚度差，从而引起顺桥向水平力的不均匀分配，会增加主墩顺桥向受力负担。

2.3 边墩与盖梁之间连接形式的选择

综合以上边墩与盖梁两种连接形式的力学特性分析，固结方式较支座连接具有一定的经济优势，但在受力合理上要求墩高不能过矮、边墩与主墩间距不应过大。鉴于高架桥变宽段一般位于匝道分合流位置附近，因此墩高容易保证；主墩与边墩的间距受侧分带位置控制，根据测算若采用边墩与盖梁固结方式，主墩与边墩的间距不宜超过20 m，根据工程经验，这一条件绝大多数情况下均能得到满足。因此建议在项目设计中优先采用边墩与盖梁固结形式，对于个别特殊节点可采取特殊设计方案。

边墩与盖梁的连接方式可一般的采用如下原则确定，如表1所示。

表1 边墩与盖梁连接形式选取表

3 倒T型盖梁设计

3.1 盖梁断面尺寸设计

盖梁结构设计需要综合考虑受力需要与构造措施两个方面。受力上，盖梁悬臂根部截面承受较大的剪力与负弯矩，此效应随着截面远离悬臂根部而逐渐减弱，因此悬臂根部为设计控制截面；盖梁牛腿直接承受上部结构荷载，为荷载传递的关键节点，需保证其具有足够的强度能够可靠的传递上部结构支反力。构造上，盖梁肋宽需满足钢束布置及锚固需要，同时为使桥面铺装受力更为有利，肋宽取值一般不宜过小；肋高由小箱梁高度与支撑系统高度之和确定；牛腿宽度由抗震构造措施确定，根据JTG/T 2231-01—2020公路桥梁抗震设计规范[6]，简支梁和连续梁桥上部结构梁端至盖梁边缘的最小距离a(cm)应满足：

a≥Max[50+0.1L+0.8H+0.5Lk,60]

(1)

其中，L为上部结构一联联长，m；H为一联桥墩平均墩高，m；Lk为一联上部结构最大单孔跨径,m。

根据以上受力与构造要求，经过测算，本项目标准段盖梁截面尺寸如图5所示。其中，盖梁宽320 cm，牛腿宽95 cm，肋宽130 cm，肋高185 cm，盖梁根部截面高435 cm，悬臂端高320 cm，截面高度按线性变化。

3.2 边墩处盖梁襟边尺寸设计

盖梁长度一般由桥面宽度与边墩位置确定，当边墩在桥面宽度以外时，盖梁需要延伸至边墩处，对于盖梁延伸长度需要根据具体情况区别对待。

当盖梁与边墩固结时，盖梁需要延伸至边墩外一定距离，如图6所示，其襟边长度c(cm)应能保证伸入盖梁的立柱主筋与盖梁端部锚具不至冲突。c值按下式确定：

c≥d+l-as

(2)

其中，d为张拉端槽口深度，cm；l为锚垫板长度，cm；as为立柱最外排主筋外侧至立柱表面距离，cm。

当盖梁与边墩支座连接时，在满足支座布置空间条件下，出于美观考虑，一般盖梁边与立柱边平齐设计，如图6所示。

3.3 盖梁挡块设计

盖梁挡块与边梁之间间隙，设计中一般按5 cm左右考虑，如图7所示。实际工程中，存在箱梁轴线与盖梁轴线不垂直的情况，此时若挡块仍然按垂直于盖梁轴线设置，则挡块内边线与箱梁轴线之间存在夹角，如图8所示，则在施工架梁时，挡块与边梁之间间隙将被压缩，甚至出现边梁与盖梁位置冲突的情况，给施工落梁造成困难，而这一点在设计中往往不能引起设计师的足够重视。经过测算，在挡块与箱梁之间夹角超过3°时，挡块与边梁之间将出现位置冲突，因此在设计中针对此种情况应引起重视，一般常见的处理方式是将挡块内边按平行于边梁轴线设置。

3.4 盖梁计算

盖梁按A类预应力混凝土构件设计，计算模型可采用杆系单元模拟，考虑的作用有自重、上部结构恒载、预应力荷载、汽车荷载、均匀升降温以及竖向温度梯度。对于是否考虑梯度温度作用，一般有不同的理解，考虑到倒T型盖梁肋宽部分与上部结构小箱梁处于相同的日照环境，其截面存在竖向温度不均匀分布的现实基础。为验证竖向梯度温度作用对盖梁受力的影响程度，分别选取本项目中标准段及非标准段盖梁进行建模分析，模型中其他条件均相同，仅考虑梯度温度作用施加与否两种工况，分析在作用的频遇组合下盖梁上下缘最小正应力及主拉应力的分布情况，计算结果见表2。分析结果表明，梯度温度作用对盖梁受力的影响不容忽视，对于非标准段盖梁，由于结构冗余约束的增多，这一影响会愈加显著。

表2 盖梁计算结果 MPa

模型的边界条件，应模拟地基土对桩基础的弹性约束作用，以适应桥墩内力分布受基础刚度影响较大的特点。若采用立柱根部固结约束，由于与实际边界条件的差异，会导致盖梁与立柱内力分布与实际受力情况存在较大偏差。

盖梁牛腿作为直接承受并传递上部荷载的关键节点，应满足节点强度大于构件强度的要求。牛腿的计算方法为，在牛腿有效分布宽度内，考虑上部结构最不利作用组合的支反力，分别对其竖直截面、最弱截面、45°斜截面进行强度验算，并满足要求[7](见图9)。牛腿有效分布宽度按下式计算：

b1=b+2e

(3)

其中，b1为牛腿有效分布宽度；b为垫石宽度；e为支座中心至牛腿根部距离。

4 过渡墩设计

倒T型盖梁柱式墩，受其上部结构跨越能力的限制，一般仅适用于单孔跨径不超过40 m的桥梁结构，当高架桥跨越重要交叉口节点、等级航道时，往往需要采用其他跨越能力较大的桥梁结构，一般常用的有变截面连续箱梁或连续钢箱梁。

对于两种桥梁结构之间的过渡墩设计，需要根据其受力特点合理选择最优结构形式。常规的设计方案主要有：

1)倒T型盖梁柱式墩。

选用倒T型盖梁柱式墩，保持了主要构造物设计风格的统一，但由于大跨结构一般采用较少的支座个数，所以其支反力较大，使得盖梁的牛腿计算往往不能通过，成为构件的薄弱节点，限制了其使用范围。一般在大跨结构采用多片连续钢箱梁，支反力不至很大时，可以采用倒T型盖梁柱式墩，但此时往往需要加强盖梁牛腿配筋。

2)L型盖梁柱式墩。

L型盖梁柱式墩，是对倒T型盖梁柱式墩的优化，将大跨桥梁结构直接支撑在桥墩立柱上，从而避免牛腿传力的不利因素。但L型盖梁为截面非对称结构，在非对称荷载作用下，盖梁悬臂根部将产生较大的扭转效应，成为弯矩、剪力、扭矩共同作用的复杂受力节点，同时桥墩立柱为满足支撑空间要求，往往需要较大的截面尺寸，使得桥墩结构整体外观一般。因此L型盖梁柱式墩作为过渡墩的设计方案，理由往往不够充分，在采取可靠措施保证盖梁受力可靠情况下，可以采用此方案(见图10)。

3)矩形盖梁柱式墩。

矩形盖梁柱式墩，避免了倒T型盖梁牛腿传力的不利因素，也避免了L型盖梁受力复杂的特点。由于其截面高度不再部分隐藏于上部结构中，为满足受力要求，盖梁截面尺寸需要加大，但矩形盖梁有较大的钢束布置空间，在提高配束指标的情况下，往往在截面高度不需要增加很多情况下即可满足受力要求，因此对高架桥整体外观的影响较小(见图11)。相较于到T型盖梁柱式墩和L型盖梁柱式墩，矩形盖梁柱式墩为过渡墩较为理想的设计方案。