預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

劉承斌、張輝

（江西省贛南公路勘察設(shè)計院，江西 贛州 341000）

0 引言

預(yù)制裝配式橋梁作為系統(tǒng)性的工程，在橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計階段做好結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，對提高橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著很重要的助力作用。所以，在下部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計階段，要按照工程項(xiàng)目的實(shí)際情況做好相關(guān)參數(shù)的詳細(xì)計算，并對涉及的內(nèi)容進(jìn)行全面控制，從而提高下部結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性。

1 裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 橋臺設(shè)計

在裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要做好橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與指導(dǎo)性工作。在設(shè)計環(huán)節(jié)，要結(jié)合裝配式橋梁的具體情況，考慮到地形條件、地貌環(huán)境等因素，分析土層結(jié)構(gòu)特性，并對地基情況進(jìn)行預(yù)設(shè)。以實(shí)際情況分析，橋臺設(shè)計環(huán)節(jié)，必須處理好橋臺與地基之間的關(guān)系；預(yù)設(shè)環(huán)節(jié)，應(yīng)綜合分析對稱性效果和實(shí)際情況。在橋梁設(shè)計階段，既要保證其承載力性能符合要求，滿足運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性需求，又要保護(hù)生態(tài)環(huán)境，防止橋臺施工對周圍環(huán)境可能造成的任何負(fù)面影響，發(fā)揮環(huán)保特性。設(shè)計時，應(yīng)選擇應(yīng)用不對稱的結(jié)構(gòu)形式。在橫向與縱向結(jié)構(gòu)特殊的情況下，設(shè)計中要做好持力層承載性能的分析工作，保證性能合格。進(jìn)行橋臺設(shè)計前，必須做好地質(zhì)條件的分析和研究，了解是否存在異常情況，以便展開必要的處理工作。

1.2 橋墩設(shè)計

在橋梁的橋墩設(shè)計焊接中，樁基設(shè)計是重要環(huán)節(jié)?？紤]到裝配式橋梁橋墩的特點(diǎn)，在了解其具體類型的前提下，可以設(shè)計為圓柱橋墩。而在建設(shè)時，橋梁的橫坡與縱坡往往比較陡，因而在預(yù)設(shè)環(huán)節(jié)應(yīng)首先確定地質(zhì)特點(diǎn)，保證裝配式橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、墩柱底部橋梁形式的穩(wěn)定性，以便更好地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證橋墩結(jié)構(gòu)的性能合格。橋墩設(shè)計一般會采用高樁承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，選擇階梯形的非對稱結(jié)構(gòu)形式，這樣能有效減少邊坡開挖作業(yè)量。在預(yù)設(shè)管理階段，為了有效預(yù)防對自然邊坡帶來的負(fù)面影響，在橋墩設(shè)計中必須考慮到現(xiàn)場的具體情況，分析滑坡、坍塌等嚴(yán)重病害問題，總結(jié)環(huán)境保護(hù)的特性和要求，保證橋墩結(jié)構(gòu)性能合格，從而確保橋梁運(yùn)行的安全性[1]。

1.3 下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計、計算

1.3.1 蓋梁內(nèi)力計算

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，蓋梁內(nèi)力計算起著非常重要的作用，一般會選擇杠桿計算的方式。如果橋梁的荷載是偏心設(shè)計的，還要計算受壓參數(shù)，并選取最大荷載參數(shù)，以確定設(shè)計方案，由此確保荷載是均勻分布的，從而消除各種不利因素的影響，保證結(jié)構(gòu)受力性能合格。

1.3.2 橋墩內(nèi)力計算

橋墩內(nèi)力計算非常嚴(yán)格，尤其是豎向內(nèi)力計算，計算方法非常復(fù)雜。水平內(nèi)力計算，可以通過柔性墩理論來確定剛度參數(shù)，分析、了解車輛制動以及梁體混凝土收縮、徐變、地震等方面帶來的影響，保證水平內(nèi)力設(shè)計科學(xué)、合理，彎矩、樁頂?shù)呢Q向內(nèi)力設(shè)計符合要求。橫向陡坡設(shè)計環(huán)節(jié)，通常要設(shè)置2～3 處主橋墩，如果其剛度有偏差，容易導(dǎo)致分布不平衡而發(fā)生損壞的問題。

1.3.3 橋臺內(nèi)力計算

橋臺內(nèi)力計算時，除了要具備與橋墩類似的荷載外，還要結(jié)合土壓、摩擦阻力、搭板自重等方面進(jìn)行分析，以下幾方面尤其需要注意：軟土地基中基樁混凝土薄壁臺驗(yàn)算深度參數(shù)；軟土地基的橋臺結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有路線相交時，應(yīng)減小橋臺的尺寸，設(shè)置必要的伸縮縫，減少受拉長度，避免過大變形，保證工程質(zhì)量合格；埋置式橋臺一般要以原地面或沖刷線為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。如果土質(zhì)較差，應(yīng)該重新驗(yàn)算，以確保施工結(jié)構(gòu)不會對橋梁運(yùn)行產(chǎn)生任何影響；通過計算確定路基沉降和滑動數(shù)據(jù)。首先，橋梁病害問題比較嚴(yán)重，容易造成橋梁不均勻沉降或滲水問題，導(dǎo)致穩(wěn)定性不足。其次，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)承載力參數(shù)超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如果地質(zhì)條件較差，應(yīng)做好滑動驗(yàn)算分析[2]。

2 工程概況

某橋梁項(xiàng)目總長度為7.65km，該橋梁在整個高架橋項(xiàng)目內(nèi)占比為68%。標(biāo)準(zhǔn)段部分的橋梁寬度為33m，設(shè)計為雙向六車道，為了提高施工速度、減少對環(huán)境的影響，最終確定采用預(yù)制裝配式混凝土橋梁結(jié)構(gòu)。

2.1 初步設(shè)計

該橋梁工程穿越多條城市干道，主要設(shè)計難點(diǎn)如下：提高施工效率，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)；周邊分布著較多的道路與建筑物，土地資源比較短缺；項(xiàng)目的起點(diǎn)與終點(diǎn)和已有線路存在連接，橋梁建設(shè)的高度受到限制。為了能夠減少橋下結(jié)構(gòu)的數(shù)量，上部結(jié)構(gòu)采用了30m標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡支小箱梁結(jié)構(gòu)。由于蓋梁截面尺寸、彎矩都比較大，為了防止占據(jù)過大的土地面積，最終選擇了T 蓋梁并在下部安裝矩形墩的結(jié)構(gòu)。依照橋?qū)捄投罩Y(jié)構(gòu)設(shè)計形式，選擇了合適的蓋梁尺寸和結(jié)構(gòu)類型。經(jīng)過對此次設(shè)計的驗(yàn)算分析，技術(shù)指標(biāo)符合要求，但是蓋梁尺寸較大，運(yùn)輸與吊裝難度較高，需要做出改進(jìn)和調(diào)整[3]。

2.2 方案優(yōu)化

參數(shù)設(shè)計環(huán)節(jié)，頂部高度與上部小箱梁結(jié)構(gòu)的高度存在直接關(guān)系，牛腿寬度必須滿足抗震性能標(biāo)準(zhǔn)，這是不能改變的，所以要從其他方面進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計人員通過有限元軟件構(gòu)建橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型，通過對階段抗裂性、正截面抗彎承載力的計算，來確保結(jié)構(gòu)性能和參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。需要注意的是，在進(jìn)行方案優(yōu)化的階段中，還需要考慮到預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求，對方案的可行性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入分析，這樣才能夠提高整體工程的穩(wěn)定性[4]。

2.2.1 倒T 蓋梁高度優(yōu)化分析

將蓋梁截面倒T 高度由190cm 依次改為180cm、170cm、160cm、150cm、140cm、130cm、120cm。在組合設(shè)計的環(huán)節(jié)，應(yīng)考慮到蓋梁的抗裂性及正截面抗彎承載性能方面的檢測結(jié)果并加以分析。經(jīng)過計算、分析后可以確定，隨著倒T 蓋梁高度尺寸需要適當(dāng)?shù)脑龃?，承載載荷方面符合要求，截面尺寸滿足要求。在蓋梁高度設(shè)定為150～160cm 的情況下，各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，且承載性能還有10%～15%的余量。此時，經(jīng)過計算、分析發(fā)現(xiàn)，該方案較之原方案，自重減小了15%～20%。

2.2.2 倒角高度優(yōu)化分析

將蓋梁截面的倒角高度由60cm 依次改為50cm、40cm、30cm、20cm、10cm、0cm，通過計算、分析發(fā)現(xiàn)，在永久荷載截面設(shè)計的前提下，最大拉應(yīng)力參數(shù)值會隨著倒角高度的增加而降低，截面彎矩值、需求值等則會隨著倒角高度的增加而增加。分析結(jié)構(gòu)的承載性能時發(fā)現(xiàn)，如果倒角高度保持在30～40cm 的范圍內(nèi)，就可以確保力矩有足夠的余量，還能夠?qū)蛄旱淖灾亟档?0%。

2.2.3 上頂寬度優(yōu)化分析

蓋梁的頂部還要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉計算和分析，上頂寬度較小的情況下容易造成不必要的麻煩，依照結(jié)構(gòu)的整體性設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋結(jié)構(gòu)，分析、了解數(shù)據(jù)變化的規(guī)律與特性，將蓋梁上頂寬度由120cm 依次改為110cm、100cm、90cm、80cm、70cm、60cm，保證有效控制指標(biāo)。以計算結(jié)論為出發(fā)點(diǎn)，隨著蓋梁上頂部的寬度逐步增加，在截面的應(yīng)力和承載性能參數(shù)符合要求的前提下，截面彎矩參數(shù)值和能力都有所升高，但截面力矩基本保持固定。此外，由于蓋梁設(shè)計是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，因而必須在現(xiàn)場設(shè)置2～3 列預(yù)應(yīng)力鋼束，綜合分析后確定了波紋管以及錨具的尺寸與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終確定蓋梁頂部寬度在90～100cm 范圍內(nèi)為最佳[5]。

2.3 優(yōu)化方案

經(jīng)過上述參數(shù)的優(yōu)化與設(shè)計分析，只需進(jìn)行兩個或三個參數(shù)的改正，就可以確定標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁最優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)。以指標(biāo)增量對比參數(shù)進(jìn)行分析，經(jīng)過多次驗(yàn)算與分析，并考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終得出如下方案：倒T 蓋梁高度為160cm，倒角高度為40cm，蓋梁上頂寬度為100cm。根據(jù)計算和對比分析，優(yōu)化后的設(shè)計方案更加理想，各項(xiàng)參數(shù)都符合要求，滿足橋梁的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計及抗震措施

包括橋墩、基礎(chǔ)、橋臺、支座和支檔結(jié)構(gòu)在內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)，是預(yù)制裝配橋梁震害的主要發(fā)生地點(diǎn)，除此之外，下部結(jié)構(gòu)也是造成上部結(jié)構(gòu)震害的主要原因，經(jīng)常引發(fā)移位、落梁等不同的現(xiàn)象。因此，相關(guān)的橋梁抗震設(shè)計主要以下部結(jié)構(gòu)作為處理對象。所謂抗震單元是抵抗地震能力和適應(yīng)地震級別的一種部位。至于抗震體系是由整個抗震單元共同參與的，進(jìn)而達(dá)到抵抗地震力和適應(yīng)地震位移的結(jié)構(gòu)形式。在涉及抗震過程中要以墩柱塑性鉸作為抗震單元，按照縱向和橫向的方向體系，維持墩柱塑性鉸變形的程度，在不同的方向上形成有效的地震慣性力構(gòu)件，進(jìn)而更好地抵抗外來作用力的干擾。

3.1 橋墩

橋跨需要采用等跨布置的結(jié)構(gòu)，按照具體的地形特征做好適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，提升橋墩的剛度；在墩臺設(shè)計過程中，避免出現(xiàn)設(shè)計帶孔的現(xiàn)象，消除突變部分的影響，集中更多的作用力。地震過程中產(chǎn)生的負(fù)荷力，需要有墩臺共同承擔(dān)，避免因受力過大造成橋墩主體的干擾。之后結(jié)合具體的能力保護(hù)原則，從墩柱強(qiáng)度出發(fā)合理控制基礎(chǔ)和蓋梁的強(qiáng)度。所以要從經(jīng)濟(jì)性考慮，全面嚴(yán)格控制墩柱的強(qiáng)度，使其處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)之內(nèi)。墩柱設(shè)計的第1 個問題是出于正截面強(qiáng)度的，與之相關(guān)的還有縱筋的布置。確保E1 地震作用的等級符合相關(guān)的規(guī)范，維持下墩柱的完整狀態(tài)，使其正截面的強(qiáng)度不能超過內(nèi)力的最大強(qiáng)度。所以要選擇合適的縱向配筋和構(gòu)件尺寸。在設(shè)計墩柱的過程中，還要關(guān)注第2 個塑性鉸延性的問題，其中涉及箍筋的配置問題。至于柱子的箍筋配置，要在滿足最小體積含固率的前提下，箍筋的配置還應(yīng)該結(jié)合地震作用的變形能力提升抗剪強(qiáng)度。高烈度區(qū)橋梁按照適當(dāng)?shù)呐渲?，結(jié)合具體的間距大小，使其能夠達(dá)到各項(xiàng)要求。美國等西方國家通常會選擇周邊配置環(huán)形箍筋的方法，甚至采用螺旋箍筋的方法對相關(guān)的問題進(jìn)行處理。為了能夠?qū)崿F(xiàn)較高的配箍率，一般會選擇大直徑的箍筋，也可以通過兩根鋼筋并置的方式。日本方面則規(guī)定箍筋的直徑要維持在13mm 之上，并在圓形墩柱截面內(nèi)部配置箍筋，還提出了相關(guān)的箍筋配置形式建議。

3.2 橋臺

橫向板塊破壞與背墻背縱向沖撞破壞是橋臺常見的破壞現(xiàn)象。在多方受力的壓力作用下，橋臺背墻的承受臺會出現(xiàn)不同程度的變形。出現(xiàn)地震，橋梁主體結(jié)構(gòu)與橋臺的剛度會產(chǎn)生差異，致使其中的伸縮縫間距拉大，進(jìn)而發(fā)生猛烈的碰撞。倘若背墻截面偏小，強(qiáng)大的沖擊力會使周圍的剪切出現(xiàn)破壞，主梁在縱橋一側(cè)失去約束，引起落梁現(xiàn)象。從地震橋梁震感的情況可知，如果橋臺沒有出現(xiàn)較大程度的位移，那么從某種程度上來說，可以保證中小程度橋梁的抗震性能，并引起自身的高度重視。

3.3 基礎(chǔ)

樁頂發(fā)生顯著位移，樁頂截面出現(xiàn)破壞等是常見的基礎(chǔ)震害。因?yàn)榛A(chǔ)出現(xiàn)損傷和破壞一旦無法得到確認(rèn)，可能是由于內(nèi)部損傷造成的。除此之外，一旦基礎(chǔ)出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，后期的修復(fù)能力也是較弱的。在較好的狀態(tài)下，基礎(chǔ)一般不會受到破壞的，通過有效的保護(hù)措施，提升墩柱的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的墩柱破壞現(xiàn)象。按照樁基礎(chǔ)和樁身的自身強(qiáng)度合理控制尺寸，保證不同根數(shù)的增加，布置樁頂加密箍筋。

3.4 蓋梁

結(jié)合抗震設(shè)計的基本尺寸大小，蓋梁尺寸要允許墩梁能夠在可接受的范圍內(nèi)部進(jìn)行移動。在梁端至端臺、蓋梁邊緣的位置要保證質(zhì)量與其保持合適的距離，其最小值要符合相關(guān)規(guī)范。明確蓋梁的設(shè)計要求，使其在地震中不會出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，維持具體的保護(hù)原則設(shè)計；如果結(jié)構(gòu)沒有進(jìn)行可塑性打造，一旦處于經(jīng)濟(jì)性考慮，那么保護(hù)內(nèi)力也未達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。值得關(guān)注的是，地震作用下的蓋梁正截面抗彎，要結(jié)合墩柱邊緣的具體位置，按照地震彎矩的具體內(nèi)容對其進(jìn)行調(diào)整升級。在蓋梁下沿主筋配筋量的位置還要結(jié)合截面控制的不同，保證靜力條件的完善性。

3.5 系梁

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，柱式橋墩和排架墩按照具體的設(shè)計實(shí)現(xiàn)橫系梁的調(diào)整。結(jié)合具體的實(shí)際情況，維持高橋墩之間的間隙。結(jié)合常規(guī)設(shè)計的構(gòu)造，按照橫向地震的損傷程度，提升彎曲的強(qiáng)度。一般會結(jié)合以下的設(shè)計原則推進(jìn)：一是地震下不會受到破壞，結(jié)合具體的計算配筋方式。二是地震下可出現(xiàn)塑性鉸，并在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部提升墩柱的強(qiáng)度。

3.6 支座

采用板式橡膠支座，達(dá)到預(yù)制裝配式橋梁支座的具體規(guī)范。不允許板式橡膠支座，對周圍產(chǎn)生剪切破壞，在目前的階段內(nèi)部是無法實(shí)現(xiàn)的。板式橡膠支座和周圍之間形成穩(wěn)固的錨固，支座與梁之間能夠達(dá)到有效的平衡狀態(tài)。結(jié)合相關(guān)的分析結(jié)果表明，支座在地震過程中很容易造成損壞，其中橋臺支座的損壞更加明顯。要及時增加支座橡膠層的厚度，按照聚四氟乙烯滑板的框架，達(dá)到鉛芯抗震的支座強(qiáng)度，進(jìn)而保證整體的抗震性能符合規(guī)范。

4 結(jié)語

本文以某橋梁項(xiàng)目為案例進(jìn)行分析，通過優(yōu)化設(shè)計的方法對預(yù)制裝配式橋梁下部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了必要分析，設(shè)計方案優(yōu)化后，各項(xiàng)參數(shù)都符合運(yùn)行要求，試驗(yàn)驗(yàn)算后，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。實(shí)踐可知，對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的效果比較明顯，橋梁自重也得到有效減少，從而確保運(yùn)行的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)，此舉不僅對當(dāng)?shù)氐慕煌顩r改善起到了極為重要的作用，也為今后同類型橋梁的設(shè)計和應(yīng)用帶來了重要影響。