門式墩預應力設計及思考

徐小云

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西太原 030012)

下文將通過幾種不同形式的門式墩對比設計，對其蓋梁預應力方面作較為深入的分析，供廣大同仁參考借鑒。

1 概述

本文實際案例為忻州—阜平高速公路古峪溝高架橋，項目在忻州—長城嶺段高速公路于五臺縣東冶鎮(zhèn)—五臺城間，在五臺縣東冶鎮(zhèn)茹村附近跨越古峪溝，古峪溝是東冶通往五臺城方向的一條較大的沖溝，溝谷主要呈“V”形，東北走向，地勢北東高西南低，溝底沖蝕嚴重;交通量較大，是忻州通往五臺山唯一的等級公路。走廊帶狹窄，橋址范圍內(nèi)地形復雜，為黃土覆蓋基巖低山區(qū)和中山峽谷區(qū)，采用了3 km長的高架橋方案，上部結構采用35 m跨徑的裝配式部分預應力混凝土小箱梁，整幅8片小箱梁，其中部分橋墩處線位由于受地形、地質控制，線位與忻臺二級公路斜交角度很大，因此下部采用整幅預應力蓋梁門型橋墩，橋梁正做的方案，使忻臺公路從橋墩柱間通過，以減小對忻臺二級公路的影響。

2 主要技術標準

1)公路等級:雙向三車道高速公路。

2)汽車荷載等級:公路—Ⅰ級。

3)橋面凈寬:左幅:10.75 m;右幅:12.25 m。

4)結構重要性系數(shù):r0=1.1。

5)地震烈度8度，地震動峰值加速度為0.2g。

3 蓋梁及墩型設計

按照上部箱梁和蓋梁的受力形式大致分為三種形式，對稱受力，懸臂受力，偏載受力，下邊分別列出此三種受力的構造圖及鋼束布置圖。

3.1 受力構造圖

受力構造圖見圖1。

3.2 主要材料及性能

蓋梁采用C40混凝土，墩身采用C30混凝土，承臺及樁基采用C25混凝土。鋼束采用φs15.2鋼絞線，符合GB/T 5224-2003標準，設計強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95 ×10 MPa，松弛率為0.035，張拉控制應力 σcon=0.75fpk=1 395 MPa，預應力張拉端錨具參照OVM產(chǎn)品設計，預應力管道成孔采用鍍鋅波紋管，且鋼帶厚度不小于0.3 mm。管道摩阻系數(shù)0.22，偏差系數(shù)0.001 5。

3.3 預應力設計

1)蓋梁計算采用平面桿系結構計算軟件進行分析，地基按剛性基礎假定，將墩身底端視為固結的模型計算，同時考慮基礎不均勻沉降1 cm。蓋梁按全預應力構件設計，蓋梁控制截面主要是蓋梁跨中、柱頂上緣和柱兩側蓋梁下緣截面位置，分批張拉鋼束設計，為防止控制截面在施工階段出現(xiàn)過大的拉應力0.70ftk')，應注意鋼束張拉順序、架設主梁過程中控制截面的應力是否滿足要求，施工階段要求蓋梁上除主梁、架梁設備外，不得有其他任何可變荷載，為保證在架設主梁和移動過程中橋墩的穩(wěn)定，應保持對稱平衡施工。

2)在考慮汽車荷載的橫向加載的影響時，在行車道凈寬范圍內(nèi)布載，取最不利布載方式計算，驗證蓋梁各控制截面和墩身受力，并按該種工況控制設計，滿足承載能力極限狀態(tài)下的承載力要求和正常使用極限狀態(tài)下的抗裂要求。

3)對稱布載情況下，在蓋梁施工完畢，混凝土強度達到95%設計強度且齡期達到7 d以后，先對稱張拉N2，N3，等上部小箱梁架設完成后，再對稱張拉N1;懸臂布載情況下，先對稱張拉N3，N4，再對稱張拉N1，N2;偏載布載情況下，先對稱張拉N2，N4，等上部小箱梁架設完成后，再對稱張拉N1，N3，N5。第一批張拉鋼束是為了保證蓋梁在自重情況下能正常工作，第二批張拉的鋼束是針對蓋梁在正常運營情況下能保持良好的受力。

圖1 受力構造圖

4)實際應力圖形。

在對稱布載受力時，鋼束設計采用全通束雙向張拉設計(見圖2a))。

在偏載布載受力時，鋼束設計采用通束和斷束相結合，單雙向分別張拉，多受力，多補償設計(見圖2b))。

在懸臂布載受力時，鋼束設計采用通束和斷束相結合，單雙向張拉交叉設計(見圖2c))。

4 門式墩帶給我們的思考

下邊示出門式墩的設計思路和應用模型，來對門式墩的靈活性和適應性做進一步的闡述。

針對門式墩的設計思路，可以概括成以下三條設計:

1)門式墩與路線可以自由選擇交角，需要注意的是選擇角度時，要判斷出蓋梁受力的加載旋轉軸(本文注)，這樣能很好地確定門式墩蓋梁的受力情況，在蓋梁預應力設計的時候能清晰地分配鋼束，在跨越河流、山溝等時能很好的適應地形需要。

2)門式墩蓋梁可以自由選擇與墩的配合。如圖3所示，可以只設墩1和墩2，形成對稱布載設計;可以墩1，墩2，左右邊假設墩配合，形成偏載布載設計;也可以縮短墩1和墩2之間的距離，形成懸臂布載設計，在跨越復雜構造物，比如廠房、道路等時可以靈活設計。

3)門式墩在預應力設計時，可以采取多種方式。原則是:多受力，多補償。同時斷束和通束相結合，單向張拉和雙向張拉交叉設計，結合不同的加載方式，門式墩可以在跨度上有更自由的選擇。

總的說來，在設計思路上，門式墩可以圍繞加載旋轉軸形成正交和斜交方式，本身與墩的結合可以形成對稱、偏載、懸臂加載方式。

圖2 實際受力長期組合

圖3 門式墩設計模型

5 門式墩的應用

門式橋墩在我省高速公路建設中應用雖然還不多，在設計中仍有不足之處，如預應力鋼束張拉控制、施工荷載控制等情況，但是在已經(jīng)通車的項目中，門式墩已經(jīng)向我們展示了它強大的靈活性以及適應性，門式墩極為靈活的適應性在路線的線形選擇和規(guī)避復雜地形及構造物的同時，能很大程度地減少橋梁對線位的制約作用，極大地降低工程造價，而且對于山西的地上人文景觀，也能夠起到很好的保護。

在臨縣到離石高速公路陶家莊1號大橋跨越離磧線，以及太原武宿機場快速路12號橋跨越武宿立交匝道橋等項目中，由于受地形、構造物、被交路等因素的限制，門式墩都有廣泛應用。鑒于我省山區(qū)地形多、地貌復雜，且道路、廠房等因素，門式墩將會有廣闊的發(fā)展應用前景。

6 結語

由于篇幅所限，本文沒有對門式墩預應力進行太深入的闡述，只是對其適應性和設計思路上進行了簡單的介紹。誠摯希望廣大同行共同探討研究。筆者認為在山西周邊復雜地形地區(qū)采用門式墩是較為合理的墩型結構之一。

［1］JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［2］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

［3］JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范［S］.