城市改擴(kuò)建橋梁整體式蓋梁橋墩設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

摘要：文章以某城市改擴(kuò)建橋梁為工程背景，介紹了整體式蓋梁橋墩的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并利用Midas Civil軟件建立整體模型對橋墩進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證了其合理性，為同類型橋墩設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：改擴(kuò)建;整體式蓋梁;橋墩設(shè)計(jì)

中圖分類號：U443. 22文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 035

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0127 - 04

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國進(jìn)入到城市化發(fā)展的建設(shè)高潮，日益增長的交通量給城市道路的建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn)，由此涌現(xiàn)出一大批改擴(kuò)建道路項(xiàng)目。其中城市橋梁建設(shè)面臨著擴(kuò)建需求大、擴(kuò)建空間小、景觀要求高等設(shè)計(jì)問題，亟待解決[1]。

本文結(jié)合某城市改擴(kuò)建橋梁工程中橋墩的設(shè)計(jì)，對整體式蓋梁橋墩的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)思路、方案計(jì)算進(jìn)行探討。

1 工程概況

1.1 原設(shè)計(jì)狀況

某城市改擴(kuò)建工程橋梁原上部結(jié)構(gòu)為5x25 m先簡支后連續(xù)小箱梁，原下部結(jié)構(gòu)橋墩采用1.3 mx1.3 m雙柱式方墩，預(yù)應(yīng)力雙懸臂蓋梁，承臺為7.2 mxs.2 mx1.8 m工字型承臺，承臺下設(shè)4根φ1.2m的樁基。原設(shè)計(jì)橋?qū)挒?1.5 m，雙向六車道，原設(shè)計(jì)車速為80 km/h，原設(shè)計(jì)荷載公路I級。原橋標(biāo)準(zhǔn)斷面如下頁圖1所示。

考慮到該橋所處道路為城市交通組織的關(guān)鍵通道，隨著機(jī)動車數(shù)量的增加，該橋負(fù)荷嚴(yán)重，交通壓力巨大。為緩解擁堵的交通，對該橋進(jìn)行改擴(kuò)建。

1.2 改擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案

改建后橋梁寬度擴(kuò)寬至45.5 m，雙向十車道標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)荷載、設(shè)計(jì)車速保持不變。

考慮到橋梁縱斷面發(fā)生變化，經(jīng)過方案比選，采用對上部結(jié)構(gòu)和蓋梁拆除重建，保留樁基、承臺和墩柱的改擴(kuò)建方案：即上部結(jié)構(gòu)跨徑與原橋梁跨徑一致，仍采用5x25 m先簡支后預(yù)應(yīng)力連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu);下部結(jié)構(gòu)拆除蓋梁和立柱，利用原承臺和樁基，兩側(cè)增加墩柱，通過整體式蓋梁進(jìn)行連接。改擴(kuò)建后的橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如下頁圖2所示。

2 橋墩設(shè)計(jì)施工

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

以該橋2#墩為例對橋墩的設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行介紹。

改擴(kuò)建橋墩采用整體式預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁，原橋墩保留原橋梁樁基、承臺，在舊承臺及兩側(cè)各新增一個1.3 m（順橋向）×1.8 m（橫橋向）的立柱，立柱下設(shè)尺寸為2.5 mx6. 25 mx2.5 m的新承臺，承臺下為2根φ1.5 m樁基。橋墩立柱長6m，新樁與原橋樁長一致，均為端承樁，樁長55 m，持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁采用A類預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼束采用φ15 24 mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線。預(yù)應(yīng)力管道采用金屬波紋管，管道摩擦系數(shù)為0.16，管道局部偏差的摩擦影響系數(shù)為0.001 5/m。預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉控制應(yīng)力設(shè)計(jì)值1395 MPa。蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖3所示。

2.2 橋墩施工

施工時先將原蓋梁及墩柱切除，應(yīng)保留鋼筋并與墩柱新鋼筋焊接伸入新建墩柱。

新建蓋梁具體施工步驟為：（1）搭設(shè)支架澆筑蓋梁，蓋梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，張拉N3鋼束;（2）拆除支架，然后架設(shè)小箱梁，先單幅架設(shè)完成后再架設(shè)另外單幅，待左右幅箱梁架設(shè)完成后張拉N2、N1鋼束;（3）澆筑連續(xù)接頭、橋面板濕接縫混凝土，張拉小箱梁頂板負(fù)彎矩鋼束并壓注水泥漿，進(jìn)行小箱梁體系轉(zhuǎn)換;（4）進(jìn)行橋面鋪裝施工，注意各施工階段左、右幅需同步。

3 橋墩計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

整體式蓋梁采用Midas Civil 2019軟件建立模型，模擬其施工過程，進(jìn)行有限元分析。

其中上部結(jié)構(gòu)的作用通過上部虛擬梁進(jìn)行模擬，用于加載上部結(jié)構(gòu)作用力以及橫向移動荷載。承臺與樁基的連接通過剛性連接模擬。樁基與周圍土體作用采用“m”法，根據(jù)地質(zhì)資料計(jì)算得到土彈簧的模擬值。樁基為嵌巖樁，樁底邊界條件考慮為固結(jié)[2]。計(jì)算模型見圖4。

3.2 荷載作用

橋墩的主要荷載及作用組合如下：（1）恒載：主要有上部小箱梁自重、蓋梁預(yù)應(yīng)力、主梁連續(xù)后澆帶自重及負(fù)彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力、二期鋪裝荷載等，將上部恒載簡化為集中力加載在蓋梁相應(yīng)位置處;（2）活載：汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-I級，通過Midas Civil軟件的橫向移動荷載功能加載，本橋?yàn)殡p向十車道，橫向折減由軟件自動考慮;（3）溫度荷載：整體升溫、整體降溫25℃，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60 -2015）考慮溫度梯度;（4）荷載組合：荷載組合根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60 - 2015），由MidasCivil軟件自動生成。

3.3 蓋梁計(jì)算結(jié)果

蓋梁計(jì)算根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362 - 2018）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行持久狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)、持久狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和持久狀態(tài)構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算等。

3.3.1 承載能力極限狀態(tài)組合驗(yàn)算

蓋梁構(gòu)件的彎矩包絡(luò)圖、剪力包絡(luò)圖如圖5～6所示。

由蓋梁彎矩包絡(luò)圖（見圖5）可知，蓋梁的最大彎矩包絡(luò)值為18 105 kN.m，小于其對應(yīng)的抗力值33 590 kN·m;最小彎矩包絡(luò)值為7 253 kN·m，小于其對應(yīng)的抗力值19 389 kN.m。蓋梁所有截面內(nèi)力均滿足規(guī)范要求。

由蓋梁剪力包絡(luò)圖（見圖6）可知，蓋梁的最大剪力包絡(luò)值為7 406 kN，小于其對應(yīng)的抗力值11 446 kN;最小剪力包絡(luò)值為7 709 kN，小于其對應(yīng)的抗力值10 358 kN。蓋梁所有截面內(nèi)力均滿足規(guī)范要求。

3.3.2 正常使用極限狀態(tài)組合驗(yàn)算

蓋梁正常使用極限狀態(tài)下短期效應(yīng)截面法向拉應(yīng)力包絡(luò)圖、長期效應(yīng)截面法向拉應(yīng)力包絡(luò)圖和斜截面抗裂驗(yàn)算應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7～9所示。

由圖7～9可知，長短期組合下，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.3.3 持久狀態(tài)構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算

蓋梁持久狀況實(shí)驗(yàn)階段正截面主壓應(yīng)力包絡(luò)圖、斜截面主壓應(yīng)力包絡(luò)圖如圖10～11所示。

由圖10～11可知，正截面主壓應(yīng)力、斜截面主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.4 墩柱計(jì)算結(jié)果

取受力最大的墩柱進(jìn)行偏心受壓承載能力驗(yàn)算，在最小軸力工況和最大彎矩工況下橋墩的偏心受壓情況，驗(yàn)算結(jié)果如圖12～13所示。

由圖12～13可知，橋墩立柱偏心受壓承載力滿足規(guī)范要求，且有較大的富余量。

3.5 樁基計(jì)算結(jié)果

樁基的彎矩圖如圖14所示，可知新建1.5m樁基的最大彎矩為1030.6 kN.m，原橋1.2m樁基的最大彎矩為314 kN.m。查閱圖紙可知，新建樁基配置32根φ25 mm鋼筋，原橋樁基配24根φ25 mm鋼筋。經(jīng)驗(yàn)算，樁基承載力滿足規(guī)范要求。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，改建后橋墩蓋梁、墩柱及樁基均滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)較為安全。

4 結(jié)語

為適應(yīng)社會的快速發(fā)展，城市橋梁改擴(kuò)建項(xiàng)目越來越多，采用整體式蓋梁的橋墩設(shè)計(jì)可利用既有下部結(jié)構(gòu)，通過增大蓋梁跨徑、減少新增樁基數(shù)量，在施工和經(jīng)濟(jì)上有一定的優(yōu)勢。同時，通過有限元計(jì)算分析可知，該方案在技術(shù)上合理可行，可為同類型改擴(kuò)建設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]吳萍.洛三高速公路改擴(kuò)建橋涵設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].中外公路，2011 ，31 （5）：164 -167.

[2]米春陽.大懸臂預(yù)應(yīng)力蓋梁橋墩設(shè)計(jì)探討[J].交通運(yùn)輸研究，2012（8）：101 - 103。

作者簡介：熊光前（1968-），工程師，主要從事橋梁建設(shè)施工、公路建設(shè)施工與監(jiān)督、橋梁管理及檢查維護(hù)、各種項(xiàng)目評審及驗(yàn)收工作。