墩梁剛度對門式墩受力影響分析

申 昊

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 北京市 100037)

1 概述

鐵路、地鐵高架橋梁在城市中通過時，常常呈小角度斜交上跨公路、鐵路。采用門式墩結構可以有效減小上部結構跨度，減小下部結構尺寸，墩柱布置靈活。隨著城市建設的飛速發(fā)展，門式墩結構又逐漸演變出雙柱門式墩、三柱門式墩、M型墩、二層門式墩等多種特殊形式。根據(jù)材料不同，又可詳細分為：鋼筋混凝土門式墩、預應力混凝土門式墩、鋼門式墩。預應力混凝土門式墩具有適用于更大的跨度，對侵蝕性環(huán)境適應能力強，結構剛度大等優(yōu)點，因此廣泛采用，但是其受力更為復雜，對不均勻沉降等更加敏感。結合某鐵路門式墩實際工程，討論蓋梁、橋墩、基礎剛度對門式墩整體受力的影響，并提出合理的門式墩優(yōu)化設計建議。

2 工程背景及設計概況

某新建鐵路斜交上跨既有鐵路，新建鐵路與既有線僅呈8°夾角，如采用連續(xù)梁結構跨越，主跨跨度需108m，設計施工難度均較大，橋下凈空不滿足要求。后采用門式墩方案上跨，上部結構采用7-16m簡支T梁，下部結構采用計算跨度15.6m門式墩。

圖1 門式墩斜交上跨既有鐵路平面布置

3 梁柱線剛度比對結構受力影響分析

門式墩蓋梁、墩柱尺寸的擬定除了考慮橋下凈高、凈寬的影響，更要考慮蓋梁線剛度與墩柱線剛度比值變化引起的蓋梁與墩身內力變化，進而影響結構配筋。

圖2 門式墩斜交上跨既有鐵路立面

3.1 蓋梁、墩身線剛度比的定義

在橋梁結構設計中引起建筑結構設計常用的線剛度的概念，并做如下定義：

ib、ic—蓋梁線剛度；

Ib、Ic—蓋梁慣性矩；

bb、bc—蓋梁截面寬度；

hb、hc—蓋梁截面高度；

lb—蓋梁計算跨度；

lc—橋墩墩身高度；

K—蓋梁、墩身線剛度比。

3.2 不同蓋梁剛度比下蓋梁內力分析

在圖2中結構基本尺寸條件下，適當調整墩柱尺寸，研究不同線剛度下蓋梁內力變化情況。

表1 門式墩蓋梁基本尺寸

表2 門式墩墩身尺寸及線剛度比

圖3 梁部集中荷載引起蓋梁內力

圖4 預應力鋼束二次力引起蓋梁內力

分析模型梁部荷載(恒載+活載)預應力恒載+預應力支點/kN·m跨中/kN·m支點/kN·m跨中/kN·m支點/kN·m跨中/kN·mC183311302096961240067204414C272951373087371344261944822C362011457076701451555435387C450601549564921568447586090

通過改變墩身截面尺寸，研究了不同蓋梁墩身線剛度比情況下蓋梁截面內力變化。由表3可見，隨著墩身剛度逐漸降低，蓋梁墩身剛度比逐漸增大，橋墩對蓋梁的約束作用逐漸降低，跨中彎矩逐漸增大，墩頂彎矩逐漸減小。

通過對恒載+預應力作用下的蓋梁內力分析可以看出，一般設計中預應力引起的蓋梁內力大于上部梁重恒載引起的蓋梁內力，跨中截面產生上緣受拉趨勢的彎矩，墩頂截面產生蓋梁角隅受拉趨勢彎矩。當蓋梁墩身線剛度由1.0逐漸增加至3.0時，跨中彎矩逐漸增加，跨中下緣壓應力儲備逐漸增大；墩頂彎矩逐漸減小，角隅處拉應力逐漸降低。

實際門式墩設計中普遍存在蓋梁跨中下緣壓應力儲備不足、角隅處由于過多的鋼束張拉產生裂縫等問題。通過上述模型分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著墩身剛度比逐漸降低，跨中壓應力儲備逐漸增加，角隅拉應力逐漸降低，可以有效降低上述兩種病害，降低預應力配束，設計更加經濟。建議設計中在保證蓋梁墩身線剛度1∶1～3∶1范圍內，適當增大蓋梁墩身線剛度比。

3.3 不同蓋梁剛度比下墩身內力分析

在圖2中結構基本尺寸條件下，適當調整墩柱尺寸，研究不同線剛度下墩身內力變化情況，并采用容許應力法檢算鋼筋應力及墩身裂縫。

門式墩是一種超靜定結構，除了蓋梁與墩身固結而引起的自重、外荷載下的墩身結構彎矩，更重要的是鋼束二次內力引起的墩身內力。

表4 墩身內力隨線剛度比變化

通過改變墩身截面尺寸，研究了不同蓋梁墩身線剛度比情況下墩身截面內力變化。由表4可見，隨著墩身剛度逐漸降低，蓋梁墩身剛度比逐漸增大， 結構次內力顯著降低，墩頂、墩底截面內力基本呈線性降低，墩身鋼筋應力及裂縫也逐漸下降。

實際設計中普遍存在這樣的病害：施工架梁前對門式墩蓋梁超張拉，墩頂角隅、墩底承臺頂截面產生較大裂縫；承臺頂產生較大的偏心力，基礎產生向門墩內側的不均勻沉降。

通過上述模型分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著墩身剛度比逐漸降低，墩頂、墩底截面偏心受壓彎矩逐漸增加，角隅處拉應力逐漸降低，可以有效降低上述兩種病害，降低預應力配束，設計更加經濟。建議設計中在保證蓋梁墩身線剛度1∶1～3∶1范圍內，適當增大蓋梁墩身線剛度比。

4 群樁樁基剛度對結構受力影響分析

門式墩設計、計算中，外部荷載條件不變時，墩柱內力對約束條件十分敏感：當基礎剛度模擬過強時，墩身內力顯著增加，蓋梁內力有所減小，導致蓋梁配束偏于不安全，而墩身配筋過強；而基礎剛度模擬過弱時，墩身內力顯著減小，蓋梁內力相應增加，導致蓋梁配束增加，而墩身配筋偏小。

4.1 群樁樁基剛度模擬

門式墩一般采用群樁基礎，群樁基礎剛度的模擬一般采用《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》中的解析算法。

圖5 群樁基礎剛度模擬

4.2 不同群樁樁基剛度結構內力

群樁基礎剛度可采用空間樁基計算程序B89模擬，得到樁基群樁[K]。將計算得到的理論[K]、0.5[K]、2[K]施加于承臺底，并對3種情況下的墩頂、墩底、蓋梁跨中進行了比較。

表5 墩身內力隨線剛度比變化

表6 樁身內力隨線剛度比變化

4.3 不同群樁樁基剛度結構內力比較

根據(jù)表5可以看出：

(1)不同樁基剛度下，計算得到的墩身、蓋梁內力均有顯著變化。

(2)當樁基剛度增加時，墩頂、墩底截面橫向彎矩顯著增加。通過對橫向彎矩組成進行對比，增加的彎矩主要由鋼束次內力、收縮徐變二次力引起。

(3)墩身軸向內力受樁基剛度影響不大。

(4)蓋梁的彎矩、軸力受群樁剛度影響不大，剛度增加后蓋梁軸力有所減小，蓋梁彎矩有所增加。

根據(jù)對不同樁基剛度下的墩身、蓋梁計算結果進行對比，實際工程設計中，除了按規(guī)范計算得到的樁基剛度模擬土彈簧，安裝于承臺底部，尚應乘以適當?shù)姆糯笙禂?shù)，并根據(jù)計算結果進行橋墩配筋，便于墩身設計留有適當?shù)陌踩禂?shù)。

4.4 不同群樁樁基剛度樁基內力比較

表6為不同剛度下樁身內力計算結果，分別對比了群樁剛度、0.5倍群樁剛度、2倍群樁剛度下的樁頂軸力、樁頂彎矩。

從表6計算結果得出：

(1)隨著樁基剛度增加，墩底彎矩隨之增加，樁身受力產生明顯偏壓現(xiàn)象，內側樁頂軸力顯著大于框架外側。

(2)同時，隨著樁基剛度增加，樁頂彎矩顯著增加，外側樁基配筋困難，甚至需增設雙筋。

根據(jù)對不同樁基剛度下的樁基計算結果進行對比，實際工程設計中，除了按規(guī)范計算得到的樁基剛度模擬土彈簧，安裝于承臺底部，尚應乘以適當?shù)姆糯笙禂?shù)，并根據(jù)計算結果進行樁基配筋及承載力驗算，便于墩身設計留有適當?shù)陌踩禂?shù)。

5 結論

(1)門式墩結構為高次超靜定結構，墩身、蓋梁內力對墩梁剛度比變化敏感，建議常規(guī)設計控制墩梁剛度比1∶2～1∶3，鋼束有效利用率高，墩身橫向次彎矩較小。

(2)門墩墩底群樁剛度對墩身內力及配筋影響較大，隨著樁基剛度增加，墩身彎矩增加明顯。減小樁基根數(shù)，減小樁基凈距可有效降低橋墩橫向受力，優(yōu)化墩身配筋。

(3)蓋梁配筋受樁基剛度影響小，可采用理論群樁剛度進行計算，墩身、樁基配筋則受群樁剛度影響較大，考慮施工誤差及承臺側面土壓力的影響，工程中宜按1.2～1.3倍理論剛度進行墩身內力計算、配筋。