城市高架橋雙柱花瓶墩設(shè)計(jì)及計(jì)算案例分析

肖溢華 （合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著我國(guó)人民生活水平的提高以及城市的快速發(fā)展，城市道路交通量越來(lái)越大，某些大城市因?yàn)橛玫叵拗频戎T多因素，原有道路拓寬改造困難，城市高架橋的出現(xiàn)，很好地解決了這一問(wèn)題，既節(jié)約了用地空間，又很好地解決了交通擁堵等問(wèn)題，且城市高架相較于隧道等地下結(jié)構(gòu)，既可以大大節(jié)省工程造價(jià)，又能縮短建設(shè)周期。

隨著城市高架橋梁建設(shè)的日趨成熟，其上下部結(jié)構(gòu)形式在滿足受力要求的基礎(chǔ)上，還要兼顧景觀效果，故花瓶墩在城市高架橋中的應(yīng)用越來(lái)越多。對(duì)于城市高架中的整體式主線橋，雙柱花瓶墩在墩頂向兩側(cè)弧形擴(kuò)頭，一方面加大了支座間距，受力合理；另一方面占用地面空間少，空間利用率高。

2 花瓶墩受力特點(diǎn)

橋墩主要承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載，主要包括上部結(jié)構(gòu)恒載、汽車(chē)活載、風(fēng)荷載和溫度荷載等，對(duì)于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，還包含支座不均勻沉降荷載等。花瓶墩墩柱主要承受通過(guò)支座傳遞下來(lái)的豎向力，花瓶墩由于在墩頂向兩側(cè)弧形擴(kuò)頭，所以豎向力往往不在墩柱形心，因此在豎向力作用下，墩柱會(huì)產(chǎn)生彎矩，且在橫橋向風(fēng)荷載、離心力，順橋向制動(dòng)力、摩阻力等水平力的作用下，墩柱在順橋向及橫橋向均產(chǎn)生彎矩，故墩柱可按照雙向偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于有系梁的雙柱式花瓶墩，因系梁主要承受軸向拉力和彎矩，故系梁可按照拉彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。

3 案例分析

3.1 工程概況

本文依托項(xiàng)目為合肥市包公大道工程，西起二十埠河，東至龍興大道，全長(zhǎng)約15.5km，規(guī)劃為城市快速路。橋梁工程包括11.7km主線高架及三座互通立交。本文選取標(biāo)準(zhǔn)跨徑3m×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋下部結(jié)構(gòu)中墩作為研究對(duì)象。

3.2 下部結(jié)構(gòu)橋墩設(shè)計(jì)方案

3.2.1 墩柱形式方案比選

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的受力、外形特點(diǎn)并兼顧景觀效果，高架橋下部結(jié)構(gòu)一般采用柱式、板式、T型、Y型等樣式的橋墩。包公大道主線高架采用整體式斷面，橫向雙向六車(chē)道，高架橫斷面全寬25m，根據(jù)主梁橫斷面尺寸，主線跨線橋標(biāo)準(zhǔn)橋墩必須采用雙柱式，因此本項(xiàng)目橋墩設(shè)計(jì)主要針對(duì)不同墩柱形式展開(kāi)，按照前述原則選擇一個(gè)與上部結(jié)構(gòu)和整體環(huán)境協(xié)調(diào)的橋墩形式。通過(guò)比選，雙柱花瓶式橋墩較為通透，流線形的橋墩頂部與上部結(jié)構(gòu)魚(yú)腹式混凝土梁曲線自然順暢過(guò)渡，上下呼應(yīng)，適當(dāng)?shù)木€形收腰富有變化和創(chuàng)新，外側(cè)設(shè)置圓弧倒角使墩柱顯得輕盈活潑，與上部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)較好。故主線整體式標(biāo)準(zhǔn)斷面采用雙柱花瓶式橋墩。

3.2.2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

主線橋標(biāo)準(zhǔn)橋墩采用鋼筋混凝土雙柱花瓶式橋墩，墩柱為矩形截面，墩柱底截面順橋向尺寸為1.8m，橫橋向尺寸為1.7m，墩柱頂部縱向擴(kuò)頭，標(biāo)準(zhǔn)段中墩頂截面順橋向尺寸為1.8m，橫橋向尺寸為2.2m。根據(jù)道路綠化帶寬度，在預(yù)留足夠的側(cè)向安全凈寬的基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)段雙柱墩的柱間距為5.3m。標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋墩基礎(chǔ)主要采用4根直徑1.6m鉆孔灌注樁。下部結(jié)構(gòu)橋墩詳細(xì)構(gòu)造見(jiàn)圖1所示。

圖1 橋墩構(gòu)造圖

3.2.3 橋墩支座間距設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)支座間距布置，對(duì)橋梁上下部結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算至關(guān)重要。對(duì)上部結(jié)構(gòu)抗傾覆設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，較大的支座間距有利于提高抗傾覆系數(shù)，使橋梁上部結(jié)構(gòu)抗傾覆安全儲(chǔ)備增大。但是較大的支座間距，需要較大的柱間距，因此地面道路需要預(yù)留足夠?qū)挾鹊木G化帶空間以便布置橋墩，這又不利于橋下地面道路空間的利用。且不同的支座間距，墩柱受力也將不同。因此在設(shè)計(jì)中，往往不能無(wú)限制增大支座間距，而應(yīng)該選取合適的支座間距，使橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，且能有效利用橋下地面空間。

針對(duì)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，初擬了三種支座間距，分別為5.3m、6.0m以及6.7m。通過(guò)計(jì)算在不同支座間距下，墩柱的受力情況以及上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆系數(shù)，從而選取較為有利的支座間距。

下部結(jié)構(gòu)采用橋梁博士（版本號(hào)4.2）軟件進(jìn)行計(jì)算，墩柱與系梁之間采用剛臂連接。上部結(jié)構(gòu)恒載通過(guò)支座反力以集中力的形式作用在對(duì)應(yīng)的支座位置，上部結(jié)構(gòu)活載通過(guò)建立虛擬橫梁，模擬活載橫向布置，虛擬橫梁與墩柱之間在支座對(duì)應(yīng)位置采用主從約束連接，由于本文主要研究對(duì)象為墩柱，故計(jì)算模型未考慮承臺(tái)和樁基部分。計(jì)算模型如圖2所示（虛擬橫梁未顯示）。

圖2 墩柱計(jì)算模型

通過(guò)改變支座間距，計(jì)算得到了不同支座間距下，墩柱與系梁連接處墩柱彎矩M1、墩柱底截面彎矩M2、墩柱底截面最大軸力F、系梁最大正彎矩ML(+)、系梁最大負(fù)彎矩ML(-)以及上部結(jié)構(gòu)抗傾覆系數(shù)Q等參數(shù)如下表所示。

不同支座間距下參數(shù)表

由上表可知，隨著支座間距增大，墩柱與系梁最大彎矩先減小再增大，支座間距為6.0m時(shí)，墩柱與系梁最大彎矩均較??；隨著支座間距增大，抗傾覆系數(shù)線性增大，但是墩柱最大軸力基本保持不變。綜上，選擇6.0m支座間距時(shí)，墩柱與系梁受力較為合理，故本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)段下部結(jié)構(gòu)支座橫向間距為6.0m。

3.3 墩柱配筋驗(yàn)算

在上述模型的基礎(chǔ)上，考慮墩柱縱橫向水平力后計(jì)算得到的墩柱內(nèi)力結(jié)果即可作為配筋驗(yàn)算設(shè)計(jì)值。橋梁下部結(jié)構(gòu)所承受水平力主要包括摩阻力，制動(dòng)力，溫度力，混凝土收縮徐變引起的水平力，風(fēng)荷載，曲線橋離心力以及縱橫向地震力等。在上述水平力及上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的豎向力的共同作用下，墩柱受力模式為雙向偏心受壓構(gòu)件。通過(guò)建模計(jì)算，本算例在荷載基本組合下，墩柱最大橫橋向彎矩為14106.1kN·m，墩柱最大順橋向彎矩為7697.8kN·m，墩柱最大豎向軸力為22974.3kN。系梁最大彎矩為7919.3kN·m，系梁最大豎向剪力為3591.8kN，系梁拉桿最大拉力為2014.8kN。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，墩柱配筋采用雙層直徑28mm豎向主筋沿墩柱截面四周均勻布置，布置間距約10cm；墩柱箍筋采用直徑12mm鋼筋（標(biāo)準(zhǔn)段）或直徑16mm鋼筋（擴(kuò)頭段），箍筋肢數(shù)為8肢。系梁頂面主筋采用三層直徑28mm鋼筋均勻布置，系梁底面主筋采用單層直徑28mm鋼筋均勻布置，布置間距約10cm，系梁箍筋采用直徑12mm鋼筋，箍筋肢數(shù)為6肢。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁景觀要求越來(lái)越重要，并且隨著城市現(xiàn)代化飛速發(fā)展，高架橋建設(shè)日趨常態(tài)化，橋梁設(shè)計(jì)工作者將面臨各種樣式的花瓶墩的設(shè)計(jì)計(jì)算。本文依托實(shí)際工程，從尺寸設(shè)計(jì)，支座間距選取及配筋驗(yàn)算等方面，對(duì)花瓶墩的構(gòu)造設(shè)計(jì)提供了一些參考。