城市立交匝道橋花瓶墩設(shè)計(jì)簡析

溫小勇

摘 要：城市立交匝道橋具有大縱坡、小半徑、橋下用地緊張的典型特征，花瓶墩因外形美觀、占地面積小在城市立交匝道橋設(shè)計(jì)中得以廣泛運(yùn)用。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過比對花瓶墩計(jì)算結(jié)果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：城市立交;匝道橋;花瓶墩墩身設(shè)計(jì)

中圖分類號：U412.352.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，汽車保有量迅速增長，為疏解節(jié)點(diǎn)交通、實(shí)現(xiàn)交通流快速轉(zhuǎn)換，城市立交得以大量建設(shè)。受城區(qū)復(fù)雜的建設(shè)條件影響，匝道橋下部結(jié)構(gòu)選型也受到頗多限制?；ㄆ慷找蛲庑蚊烙^、占地面積小在城市立交匝道橋設(shè)計(jì)中得以廣泛運(yùn)用?；ㄆ慷斩枕敂U(kuò)頭部位受力較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算難度較大。2018版《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》對花瓶墩如何模擬計(jì)算做出了明確規(guī)定，本文結(jié)合某城市立交工程實(shí)例，對花瓶墩結(jié)構(gòu)按不同模型計(jì)算、比對計(jì)算結(jié)果，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 立交總體布置簡介

西南某市跨江大橋橋頭立交改造工程，共設(shè)七條匝道實(shí)現(xiàn)跨江大橋與橋下道路的互聯(lián)互通，其中ABCEF匝道采用橋梁形式。本項(xiàng)目由分離式立交改造為互通式立交，周邊緊鄰建成小區(qū)及已出讓土地，用地緊張;項(xiàng)目位于中心城區(qū)、臨江主干道景觀要求高。為充分利用橋下空間、節(jié)約用地，下部結(jié)構(gòu)擬采用花瓶墩，采用承臺接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基采用旋挖鉆成孔、按端承樁設(shè)計(jì)。

1.2 A匝道橋設(shè)計(jì)方案

A匝道橋全寬10.5 m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為3 m（人行道）+7 m（車行道）+0.5 m（護(hù)欄）。橋梁最小半徑150 m，橋梁最大縱坡4.7%，最大超高反向1.5%。

上部結(jié)構(gòu)采用4×30 m+3×30 m預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，梁高1.7 m，直腹板箱梁頂寬10.5 m，底寬6.5 m，采用單箱雙室截面。梁底設(shè)置縱向限位擋塊避免主梁滑移。采用Midas civil建立彎橋梁格模型，P1墩最大支反力計(jì)算結(jié)果：基本組合為6 500 kN，內(nèi)側(cè)支座反力為2 575 kN，外側(cè)支座反力為4 932 kN。

下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩接承臺樁基礎(chǔ)，花瓶墩底截面為3.0×1.6 m，墩頂截面為7.7×1.6 m，承臺尺寸6.8×3.0×2.5 m，采用直徑1.6 m單排樁基礎(chǔ)。

2 墩頂配筋驗(yàn)算

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，橋墩頂部2 m范圍參照蓋梁配筋：頂緣配2排根直徑28 mmHRB400鋼筋， 每排16根;底緣配一排15根直徑22 mmHRB400鋼筋。墩身橫橋向布置27根，順橋向布置11根直徑28 mmHRB400鋼筋（單側(cè)）。根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行橋墩安全驗(yàn)算。本項(xiàng)目花瓶墩墩頂設(shè)雙支座，受力模式為設(shè)蓋梁的獨(dú)柱墩。墩頂蓋梁受力類似于深梁或牛腿，分別采用拉壓桿模型和牛腿模型計(jì)算墩頂抗拉承載力。

2.1 按牛腿模型驗(yàn)算

根據(jù)《公預(yù)規(guī)》5.2.2條、6.4.3條驗(yàn)算牛腿根部抗彎承載力和裂縫寬度。模擬牛腿模型（圖1），采用橋梁博士建模驗(yàn)算，結(jié)果如下：

（1）承載能力極限狀態(tài)荷載組合Ⅰ強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果：

最大彎矩強(qiáng)度驗(yàn)算

截面受力性質(zhì)：上拉受彎

內(nèi)力描述：Mj=-6 440 kN.M。

截面抗力：MR=-14 100 kN.M>Mj（滿足）。

最小配筋面積Ag=7.48×10-3m2<實(shí)際配筋面積Ag=1.97×10-2m2（滿足）。

（2）正常使用極限狀態(tài)荷載組合Ⅱ裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果：

長期荷載裂縫寬度： d_f = 0.186 mm（滿足）。

容許裂縫寬度： d_fo = 0.2 mm。

2.2 按拉壓桿模型驗(yàn)算

本項(xiàng)目花瓶墩墩頂設(shè)雙支座，受力模式為設(shè)蓋梁的獨(dú)柱墩。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》8.4.7條，墩頂受力類似于深梁或牛腿，可采用拉壓桿模型（圖2）計(jì)算墩頂抗拉承載力。

（1）抗拉承載力驗(yàn)算。墩頂?shù)臋M向拉力：Tt，d ?=0.45×

6 500× （2×4 900 - 1 600） ÷ 5 000 = 4 797.0 kN;拉桿的承載力：Rt，d = 330×（32×615） =6 494.4 kN>Tt，d;由于γ0 Tt，d = 1.1 ×4 797 .0= 5 276.7 kN

（2）壓桿、節(jié)點(diǎn)承載力驗(yàn)算。根據(jù)《公預(yù)規(guī)》8.4.7條條文說明“墩帽拉壓桿模型中斜壓桿的有效橫截面積較大，壓桿和節(jié)點(diǎn)承載力不控制設(shè)計(jì)，只需進(jìn)行拉桿配筋驗(yàn)算”。

（3）裂縫寬度驗(yàn)算。根據(jù)《公預(yù)規(guī)》第6.4.3條計(jì)算鋼筋混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度。經(jīng)對比牛腿計(jì)算模型和拉壓桿計(jì)算模型，在配筋相同的情況下，墩頂各截面實(shí)際高度均大于牛腿模型，隨著截面高度增加，鋼筋應(yīng)力減小，裂縫寬度相應(yīng)減小。故拉壓桿模型計(jì)算裂縫寬度小于牛腿模型計(jì)算結(jié)果。

2.3 抗剪承載力驗(yàn)算

根據(jù)對比牛腿模型（圖1）及拉壓桿模型（圖2），牛腿模型根部截面高度小于拉壓桿模型，選擇牛腿模型進(jìn)行抗剪計(jì)算偏安全。

（1）抗剪截面尺寸驗(yàn)算。根據(jù)《公預(yù)規(guī)》5.2.11規(guī)定，矩形截面的受彎構(gòu)件，抗剪截面應(yīng)符合下列要求：

剪力效應(yīng)：Υ0Vd=1.1×6 500=7 150 kN，截面抗剪抵抗力：=0.51×10-3×sqrt（40） ×106×1.6×（2.31-0.09）=11 457.1 kN>7 150 kN（滿足）。

（2）抗剪承載力驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)未設(shè)置抗剪鋼筋，故根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》4.0.13 條計(jì)算：

剪力效應(yīng)：Υ0Vd=1.1×6 500=7 150 kN，抗剪承載力=1.6×2.06×2.48×103+（0.7×6 494）÷1.4=11 421.1 kN。安全系數(shù)為1.59，滿足規(guī)范抗剪承載力要求。

3 結(jié)語

（1）花瓶墩具有明顯的深梁抗彎抗剪受力特性，《公預(yù)規(guī)》明確提出可采用拉壓桿模型計(jì)算。同等尺寸及配筋條件下，拉壓桿模型計(jì)算安全系數(shù)略小于牛腿模型，實(shí)際工程實(shí)踐中宜采用拉壓桿模型計(jì)算，再將鋼筋應(yīng)力代入裂縫寬度公式計(jì)算裂縫，檢查裂縫寬度是否超限。

（2）深梁中水平和豎向鋼筋對受剪承載力的作用有限[4]，通過提高墩帽混凝土強(qiáng)度等級和加大截面尺寸能夠有效提升墩帽抗剪能力，花瓶墩由于截面高度較大，僅混凝土截面抗剪能力即可滿足抗剪要求，通常構(gòu)造鋼筋即可。但墩頂9/h高度范圍為墩頂受拉區(qū)，應(yīng)根據(jù)拉桿計(jì)算模型配置受拉鋼筋。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)加大花瓶墩墩帽厚度可明顯改善花瓶墩墩頂受力狀態(tài)。當(dāng)受橋下空間或其他建設(shè)條件限制必須減小墩帽高度時(shí)，必須根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置足夠面積的受拉鋼筋，必要時(shí)可張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，避免因拉桿承載力不足導(dǎo)致墩頂豎向開裂。

（4）小半徑匝道橋加大支座間距有利于提高橋梁橫向穩(wěn)定，但支座間距的加大又不利于花瓶墩墩頂受力，工程實(shí)踐中應(yīng)統(tǒng)籌考慮上下部結(jié)構(gòu)受力關(guān)系，以免顧此失彼。

（5）小半徑彎橋內(nèi)、外側(cè)支反力差別較大。墩身截面強(qiáng)度、裂縫驗(yàn)算除了考慮順橋向彎矩的影響外，還應(yīng)注意不均衡支反力產(chǎn)生的橫向彎矩影響，加強(qiáng)墩柱配筋設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]JTGD61-2005公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]劉華新，孫榮書，張曉東.鋼筋混凝土深梁抗剪承載力影響因素分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（02）：67.