公路桥梁高立柱框架墩设计分析

2021-12-09杨丽丽管敬

运输经理世界 2021年15期

文/杨丽丽、管敬

1 前言

在公路桥梁建设领域中，高立柱框架墩设计水平的高低会直接影响整体桥梁的安全性及稳定性，所以在具体设计环节需要相关单位结合实际情况将科学的设计方案构建出来，并细化设计要点，进而保证各方面的设计参数满足实际需要。

2 工程概述

某公路桥梁是当地重要的交通枢纽，为高速T 型交叉的形式，其主要作用就是让当地的高速公路和桥梁稳定连接，实现交通转换，保证当地交通运行正常化。该枢纽主线桥跨当地的河流与河流的交叉角度比较小，根据防洪技术标准，该桥梁项目需要设置到主河槽之间内，应该达到桥梁桥墩在主河槽断面投影参数以及防洪标准要求，确保阻水比在20%以内，满足正常运行的标准[1]。

3 框架墩设计

该枢纽的桥墩跨越河流，其河道宽度为30m，根据技术标准要求进行桥孔设置，左右两幅需要进行桥墩的设置工作，桥墩盖梁长度通常来说相对较小，工程建设规模缩小，但是有4 个桥墩设置到河道内部，其投影在主河道断面宽度为12m，阻水比经过计算分析为40%，并不能达到防洪的技术标准。为了能够达到防洪的标准和要求，该方案设计中以10 号墩作为基准点，两个边墩全部都安装到河道的外部[2]。

4 计算模型

按照本次桥梁的应用需要，了解上部荷载参数，根据需要综合分析三柱跨度尺寸，本次工程中将从10 号墩展开计算分析，主要从盖梁、墩身承载性能、应力、裂缝等方面出发展开分析。就目前来说，桥墩应用有限元软件MidasCivil2020 计算分析，根据桥墩的实际情况创建有限元模型，然后建立总体静力分析模型，了解受力条件，提高运行质量和效果[3]。

4.1 设计参数取值

根据设计方案的要求，盖梁结构应用C50 混凝土制作，墩身应用C40 混凝土制作，承台基础结构的制作材料是C30 混凝土，按照要求选择科学合理的预应力钢绞线，其弹性模量为1.95×105MPa，容重78kN/m3。上部荷载的主要承载结构部分是14 片T 梁支点反力结构，混凝土徐变按照国家标准规范选取，综合分析C50混凝土制作形成的主体结构在运营10年后发生的收缩徐变反应，基础结构沉降根据-5mm 计算分析。该项目中，汽车火灾按照公路-Ⅰ级设计，体系升温25T，体系降温-25Ⅰ，满足正常运行的要求[4]。

4.2 框架墩盖梁验算结果

盖梁结构的作用是非常明显的，主梁结构设计为A 类预应力结构形式，设计为一级安全标准，以达到运行质量标准。在正常的运行中，盖梁处于恒载的运行条件下，其上缘结构受到的最大压应力为-9.8MPa，受力部位是中墩墩顶位置；下缘结构受到的最大拉应力是-9MPa，受力部位处于第二跨的位置上。盖梁受到车道荷载的作用和影响，其主梁上缘的最大压应力可以达到-1.5MPa，受力部位处于中墩墩顶的部位上；主梁下缘所受到的最大压应力为-1.8MPa，受力部位处于第二跨的跨中位置上。上述各项数据全部都小于-16.2MPa，说明结构性能可以达到工程标准。盖梁截面受到的抗弯承载的最大参数为116400kN.m，比结构的抗弯最大承载力173151kN.m 要小，主要是处在第二跨的跨中部位上。经过分析发现，盖梁的加密区范围内所设置的箍筋密度比较大，受力面积完全满足要求。总之，该桥梁项目的墩盖量结构的各个方面受力条件都符合要求，不会影响总体的运行效果和质量。

5 框架墩墩身验算结果

5.1 承载力计算结果

桥墩结构的制作材料为C40 混凝土，主筋为HRB400 钢筋，直径尺寸设定为28mm，采取双排布置的方式进行现场设置。桥墩纵弯长度尺寸的计算一般都要选择实际长度的两倍进行制作，且横弯的长度也应该为实际长度的两倍，以满足运行标准。另外，承载力参数的计算，一般不会作为腹板侧钢筋的应用。该模型设计中，应该在具体桥梁的左墩、中墩、右墩的各个结构上进行，分别在墩顶、墩底的部位上选择6 个截面的位置，检查上下组合内力条件。经过数据总结分析发现，10 号墩横向、纵向各项受力都要比承载压力小，偏压破坏的形式比较明显，安全系数达到1.55、1.45，所以计算确定主墩承载性能符合工程的要求。

5.2 裂缝验算结果

在该模型计算中，在左墩、中墩、右墩的各个部位上选择墩顶、墩底的部位6 个截面位置，做好纵、横方向上内力的计算和分析，发现横向偏压影响下都能够达到运行要求。

6 设计要点

6.1 确定结构形式和尺寸

框架墩设计的过程中，首先应该结合结构尺寸选择确定。结构形式设计环节，要从桥梁跨度尺寸、高度、桥墩抗侧力等方面明确结构形式，结合桥墩设计标准和规范，考虑到结构受力的条件，选择合适的建筑高度尺寸，明确结构净空、横梁预应力设计等条件，保证刚度性能合格。如果各项尺寸的匹配度不足，内力超出规定标准，则容易导致结构变形比较严重、节点应力超标，进而产生结构损坏问题，给整体安全性带来不利影响。

6.2 框架墩基础形式的选择

框架结构形式明确后，工作人员还要根据系统运行要求确定最佳的基础结构形式。浅基础与桩基础的应用范围是最大的，因此在基础结构形式的设计过程中，还要综合分析地质条件、上部结构形式等要素。如果使用桩基础的形式，桥墩超静定结构特点以及横梁刚度大，则沉降敏感性强，因此应该使用支撑桩或者嵌岩桩的形式。

6.3 框架墩上部结构竖向作用力点计算分析

框架墩支撑的作用力一般是自重、车辆荷载等，而自重的计算是比较简单的，但是汽车荷载的计算难度较高，甚至是难以控制的。在纵向计算过程中，应该结合影响线的形状确定最不利的荷载位置数据，然后综合性分析汽车冲击力的作用，同时横向荷载也不能忽视。不同结构形式的计算方法存在一定差异，简支梁结构应该根据汽车横向位置通过杠杆法的方式计算分析，而连续梁的结构需要通过空间梁格有限元的方法进行计算。

6.4 框架墩上部结构纵向作用力计算

公路桥墩上部传输下来的作用力包含温度应力、汽车制动力、预应力混凝土徐变、上部结构张拉预应力等。对于这些力的计算，可以先计算桥墩抗推刚度，然后结合各个墩体结构的刚度性能确定纵向力的数据。在汽车制动力分配计算过程中综合分析桥梁框架相对刚度参数，另外抗推刚度计算时还要综合分析基础与支座串联方面的影响。

6.5 布置预应力钢束

由于盖梁与荷载存在不对称的情况，则各个界面应该设置差异性的钢束结构，但整个长度都设置，则会造成资源浪费；如果将钢束截断，就无法准确设置锚固点，所以将钢束设置在截面中间位置可以达到运行的要求。钢束设置环节，为了满足盖梁截面剪力较大的情况，一般来说抗弯位置应该设置在剪力较大的位置。为了防止钢束在横向位置上形成较大侧弯，设置阶段应该达到对称性的要求。

6.6 布置普通钢筋

普通钢筋结构的作用就是抗拉、抗弯、抗扭、抗剪等，框架墩盖梁中需要布置较多的钢筋，不仅要符合构造性能的要求，还要让配筋率达到最小的状态。从实际情况分析，钢筋直径不能小于20mm，钢筋的密集度符合要求，这样可以保证结构的抗裂性能和效果合格，且能够增大结构延性，让盖梁和墩柱的连接达到稳定性标准。因为地震发生之后，墩柱与盖梁连接部位容易发生损坏，所以施工人员应该在节点部位适当增大钢筋设置密度，以满足结构性能要求。

6.7 模拟约束刚度的确定

对于已经建设完毕的工程结构，检测刚度性能之后，通常来说其基础结构的实际测量刚度是计算刚度的1.1～1.2 倍之间。对于桥梁大跨度的尺寸来说，基础结构约束有着较高的敏感性，在模拟约束计算的过程中，工作人员应该选择合适的参数值，如果模拟约束值比实际参数要小，则会造成立柱和基础结构不能达到安全性要求情况，而增大横梁的方式又容易导致设计难度升高；如果模拟约束值超过实际约束力，则会造成立柱和基础设计难度升高，横梁设计安全性无法满足要求。因此，在基础刚度模拟设计环节，应和实际刚度相差较小，保证基础和立柱结构的总体性能满足要求，达到运行标准。