倒T型蓋梁柱式墩設(shè)計方法綜述

郭允飛

(江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，中國城市面貌也煥然一新，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、城市人口日益增加，相應(yīng)的衍生了城市出行遠(yuǎn)距離化、高峰期擁堵化的問題，因此便捷、高效的出行方式逐漸成為緊迫的民生訴求，這就要求城市交通需要以滿足出行差異化為目標(biāo)，加快朝著立體化交通體系發(fā)展方向邁進(jìn)。

高架橋是實現(xiàn)城市交通立體化發(fā)展的有效手段之一，由于其地面輔路可滿足常規(guī)出行需求，高架橋可滿足遠(yuǎn)距離快速化出行需求，實現(xiàn)了不同出行需求的空間分離，大大提高了出行效率，同時由于其占地規(guī)模相對較小，建筑結(jié)構(gòu)相對宏偉，對提高城市整體形象亦具有積極作用，因此近年來在城市交通建設(shè)中逐漸增多。

常規(guī)高架橋下部結(jié)構(gòu)型式有柱式墩和蓋梁柱式墩，柱式墩多用于上部結(jié)構(gòu)有整體式橫梁的結(jié)構(gòu)，一般為現(xiàn)澆箱梁，由于現(xiàn)澆箱梁施工周期長、環(huán)境影響大，在建設(shè)條件受限的地方往往不能成為推薦方案。蓋梁柱式墩上部結(jié)構(gòu)一般為多片梁的橋梁結(jié)構(gòu)，實際工程中上部結(jié)構(gòu)多采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，如小箱梁、板梁、T梁，因此其施工周期較短，造價較為經(jīng)濟(jì)，對周圍環(huán)境的影響也相對較小。但受建設(shè)條件的限制，橋墩蓋梁懸臂一般都較大，為滿足受力需要，蓋梁需要較大的截面高度，早期蓋梁截面一般為矩形、L形，由于截面高度較大，外觀效果一般，在城市高架橋中的應(yīng)用受到限制。倒T型蓋梁，將蓋梁一部分高度隱藏于上部結(jié)構(gòu)中，不僅改善了橋梁外觀，而且有效降低了橋梁高度，節(jié)約了建設(shè)成本，由于其較為顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢，使得其被廣泛應(yīng)用于城市高架橋建設(shè)中[1]。

相較于柱式墩，倒T型蓋梁柱式墩不僅在受力上變得復(fù)雜，而且其構(gòu)造尺寸還需與上部結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，隨著工程應(yīng)用的增多，倒T型蓋梁的設(shè)計建造取得了重要的技術(shù)積累。文獻(xiàn)[2]依托具體設(shè)計項目，對倒T蓋梁的設(shè)計方法及要點進(jìn)行了總結(jié)，并提出了常規(guī)的設(shè)計流程;文獻(xiàn)[3]對倒T蓋梁進(jìn)行施工階段及運營階段的受力分析，得出了梁單元模型與實體模型計算的蓋梁應(yīng)力水平總體相當(dāng)；文獻(xiàn)[4]對倒T型蓋梁預(yù)制安裝方案進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]針對倒T蓋梁每個橋墩兩條縫的特點，重點對橋面連續(xù)進(jìn)行了受力分析，并提出了跨縫材料采用彈性混凝土能有效降低橋面連續(xù)彎曲應(yīng)力，改善跨縫處混凝土性能，并能有效限制混凝土裂縫開展，延長結(jié)構(gòu)使用壽命。

在倒T型蓋梁已有研究成果的基礎(chǔ)上，本文以無錫某干線公路快速化改造項目為依托，對設(shè)計中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了重點分析，并提出了一般性的解決方案，以期為倒T型蓋梁的技術(shù)積累作出貢獻(xiàn)，并為同類工程的設(shè)計提供參考。

無錫某干線公路快速改造方案采用高架橋型式，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用一級公路兼城市快速路，設(shè)計速度為80 km/h。高架橋上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用倒T型蓋梁柱式墩。高架橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示，其中橋面寬33 m，共布置10片預(yù)制小箱梁，小箱梁間距3.3 m，立柱中心距離8 m，蓋梁單側(cè)最大懸臂長12.5 m；基礎(chǔ)采用整體式承臺群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.5 m，共8根呈梅花形布置。

1 橋墩基礎(chǔ)形式設(shè)計

高架橋橋幅較寬，橋下基礎(chǔ)受地面輔道限制僅能設(shè)置在輔道中分帶內(nèi)，由于中分帶寬度受用地紅線等因素影響一般不會太寬，因此在進(jìn)行高架橋基礎(chǔ)形式選擇時，往往采用整體式的承臺群樁基礎(chǔ)，如圖1所示，這樣可以保證承臺不侵入或少侵入輔道路基范圍，從而避免輔道路基不均勻沉降導(dǎo)致路面開裂問題。

大承臺群樁基礎(chǔ)，剛度較大，對承臺上立柱的橫向變形約束較強。當(dāng)立柱高度較高時，由于立柱線剛度相對較小，因此立柱對蓋梁的作用以豎向支撐為主，對蓋梁的彎矩分布影響不大，隨著立柱高度的不斷增高，這種效用會愈加顯著。但當(dāng)立柱高度較矮時(一般在高架起終點落地處)，由于其線剛度顯著增加，立柱對蓋梁的作用將不再以豎向支撐為主，其不僅對蓋梁的彎矩分布影響較大，同時在整體升降溫以及收縮徐變作用影響下，立柱將對蓋梁產(chǎn)生較大的軸向力，蓋梁在立柱之間部分由主要以受彎為主的梁式構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)槠氖軌?受拉)構(gòu)件，蓋梁應(yīng)力指標(biāo)較難控制，計算不易通過；同時橋墩立柱由于承擔(dān)較大的彎矩，其開裂問題較為顯著，往往需要加大立柱配筋來控制裂縫寬度，造成立柱配筋指標(biāo)較高。

針對矮墩的問題，需要減小整體式承臺對立柱的橫向約束，其理論依據(jù)是通過改變立柱的邊界約束條件以達(dá)到改變其線剛度的目的。有效的做法是，將整體式承臺改為分離式承臺，則立柱的橫向約束主要由樁基與地基土之間彈性壓縮提供，相較于剛性承臺約束，此種方式將大大弱化立柱根部的橫向約束作用，計算結(jié)果表明，此種情況下，立柱與蓋梁受力均較為合理，其受力狀態(tài)均得到較大改善。采用分離式承臺后，承臺一般會超出中分帶范圍侵入輔道路基，此時可通過加大承臺埋深解決地基沉降差問題。分離式承臺如圖2所示，其中立柱分別支撐在獨立的承臺樁基礎(chǔ)上，單個基礎(chǔ)采用4根直徑1.5 m樁基。

2 邊墩與蓋梁的連接方式設(shè)計

高架橋在橋面加寬處，需要設(shè)置邊墩，以改善蓋梁受力，避免蓋梁因懸臂長度過長導(dǎo)致計算不易通過的情況。通常情況下，主墩立柱與蓋梁之間采用墩梁固結(jié)方式，以保證蓋梁的穩(wěn)定性，邊墩與蓋梁的連接方式往往需要結(jié)合結(jié)構(gòu)受力與后期維護(hù)等方面來綜合比選確定，一般邊墩與蓋梁的連接采用支座或墩梁固結(jié)兩種方式。單側(cè)加寬及雙側(cè)加寬橋墩分別如圖3，圖4所示。

2.1 邊墩與蓋梁固結(jié)的受力特點分析

邊墩立柱與蓋梁采用固結(jié)方式，增加了橋墩結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，使得橋墩結(jié)構(gòu)的受力更為復(fù)雜，由鋼束二次力、溫度作用、收縮徐變作用引起的橋墩結(jié)構(gòu)的附加效應(yīng)較為顯著。但邊墩采用墩梁固結(jié)方式，使得橋墩的整體設(shè)計原則和外觀風(fēng)格保持了統(tǒng)一，同時也避免了后期支座維護(hù)與更換的煩瑣過程，對簡化施工工序、降低后期維護(hù)成本較為有利。

為使邊墩立柱與蓋梁之間采用固結(jié)方式切實可行，需要采取措施弱化高次超靜定引起的附加效應(yīng)的影響。一般有效的做法是減小邊墩的橫橋向剛度，具體的措施有：

1)優(yōu)化樁基布置形式減小基礎(chǔ)的橫橋向剛度，一般邊墩樁基橫橋向布置排數(shù)不宜超過2排，在滿足受力情況下，優(yōu)先選用單排樁基布置形式。

2)減小邊墩立柱尺寸，增加邊墩柱高。

考慮到邊墩柱高由高架橋縱斷面高程與基礎(chǔ)埋深確定，若單純?yōu)樵黾又叨扇√Ц呖v斷面高程或加大基礎(chǔ)埋深，將顯著增加工程造價，為欠合理方案，設(shè)計中一般不予采納。同時在設(shè)計中，采取的邊墩尺寸一般與主墩尺寸差異不大，避免同一橋墩立柱尺寸差異過大而引起視覺上的突變，增加感官上的不安全性；根據(jù)測算，邊墩對附加效應(yīng)更為敏感，往往橫橋向邊墩的受力較主墩更為不利。因此通過采取減小邊墩立柱尺寸、增加柱高的方式來減小邊墩剛度的措施，在設(shè)計中可操作的空間有限。

綜合以上分析，邊墩立柱與蓋梁采用固結(jié)方式，適用于邊墩柱高較高的情況，當(dāng)柱高較矮時不宜采用。同時當(dāng)蓋梁懸臂較長時，邊墩在溫度作用與收縮徐變作用下，立柱開裂較難控制，此時不宜采用固結(jié)方式，應(yīng)采用支座連接，以有效釋放溫度(收縮徐變)應(yīng)力。

2.2 邊墩與蓋梁支座連接的受力特點分析

邊墩與蓋梁采用支座連接方式，相對于墩梁固結(jié)方式，力的傳遞與分配路徑更為簡潔明確，通過采取橫橋向單項滑動支座，可以有效釋放溫度作用、收縮徐變作用引起的結(jié)構(gòu)附加效應(yīng)，結(jié)構(gòu)的受力行為相對簡單。但邊墩采用支座連接方式，增加了橋墩立柱種類，且支座在運營期需要維護(hù)與更換，增加了施工工序及后期維護(hù)成本；同時由于主墩和邊墩因連接形式不同容易造成順橋向剛度差，從而引起順橋向水平力的不均勻分配，會增加主墩順橋向受力負(fù)擔(dān)。

2.3 邊墩與蓋梁之間連接形式的選擇

綜合以上邊墩與蓋梁兩種連接形式的力學(xué)特性分析，固結(jié)方式較支座連接具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但在受力合理上要求墩高不能過矮、邊墩與主墩間距不應(yīng)過大。鑒于高架橋變寬段一般位于匝道分合流位置附近，因此墩高容易保證；主墩與邊墩的間距受側(cè)分帶位置控制，根據(jù)測算若采用邊墩與蓋梁固結(jié)方式，主墩與邊墩的間距不宜超過20 m，根據(jù)工程經(jīng)驗，這一條件絕大多數(shù)情況下均能得到滿足。因此建議在項目設(shè)計中優(yōu)先采用邊墩與蓋梁固結(jié)形式，對于個別特殊節(jié)點可采取特殊設(shè)計方案。

邊墩與蓋梁的連接方式可一般的采用如下原則確定，如表1所示。

表1 邊墩與蓋梁連接形式選取表

3 倒T型蓋梁設(shè)計

3.1 蓋梁斷面尺寸設(shè)計

蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮受力需要與構(gòu)造措施兩個方面。受力上，蓋梁懸臂根部截面承受較大的剪力與負(fù)彎矩，此效應(yīng)隨著截面遠(yuǎn)離懸臂根部而逐漸減弱，因此懸臂根部為設(shè)計控制截面；蓋梁牛腿直接承受上部結(jié)構(gòu)荷載，為荷載傳遞的關(guān)鍵節(jié)點，需保證其具有足夠的強度能夠可靠的傳遞上部結(jié)構(gòu)支反力。構(gòu)造上，蓋梁肋寬需滿足鋼束布置及錨固需要，同時為使橋面鋪裝受力更為有利，肋寬取值一般不宜過小；肋高由小箱梁高度與支撐系統(tǒng)高度之和確定；牛腿寬度由抗震構(gòu)造措施確定，根據(jù)JTG/T 2231-01—2020公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[6]，簡支梁和連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)梁端至蓋梁邊緣的最小距離a(cm)應(yīng)滿足：

a≥Max[50+0.1L+0.8H+0.5Lk,60]

(1)

其中，L為上部結(jié)構(gòu)一聯(lián)聯(lián)長，m；H為一聯(lián)橋墩平均墩高，m；Lk為一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)最大單孔跨徑,m。

根據(jù)以上受力與構(gòu)造要求，經(jīng)過測算，本項目標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁截面尺寸如圖5所示。其中，蓋梁寬320 cm，牛腿寬95 cm，肋寬130 cm，肋高185 cm，蓋梁根部截面高435 cm，懸臂端高320 cm，截面高度按線性變化。

3.2 邊墩處蓋梁襟邊尺寸設(shè)計

蓋梁長度一般由橋面寬度與邊墩位置確定，當(dāng)邊墩在橋面寬度以外時，蓋梁需要延伸至邊墩處，對于蓋梁延伸長度需要根據(jù)具體情況區(qū)別對待。

當(dāng)蓋梁與邊墩固結(jié)時，蓋梁需要延伸至邊墩外一定距離，如圖6所示，其襟邊長度c(cm)應(yīng)能保證伸入蓋梁的立柱主筋與蓋梁端部錨具不至沖突。c值按下式確定：

c≥d+l-as

(2)

其中，d為張拉端槽口深度，cm；l為錨墊板長度，cm；as為立柱最外排主筋外側(cè)至立柱表面距離，cm。

當(dāng)蓋梁與邊墩支座連接時，在滿足支座布置空間條件下，出于美觀考慮，一般蓋梁邊與立柱邊平齊設(shè)計，如圖6所示。

3.3 蓋梁擋塊設(shè)計

蓋梁擋塊與邊梁之間間隙，設(shè)計中一般按5 cm左右考慮，如圖7所示。實際工程中，存在箱梁軸線與蓋梁軸線不垂直的情況，此時若擋塊仍然按垂直于蓋梁軸線設(shè)置，則擋塊內(nèi)邊線與箱梁軸線之間存在夾角，如圖8所示，則在施工架梁時，擋塊與邊梁之間間隙將被壓縮，甚至出現(xiàn)邊梁與蓋梁位置沖突的情況，給施工落梁造成困難，而這一點在設(shè)計中往往不能引起設(shè)計師的足夠重視。經(jīng)過測算，在擋塊與箱梁之間夾角超過3°時，擋塊與邊梁之間將出現(xiàn)位置沖突，因此在設(shè)計中針對此種情況應(yīng)引起重視，一般常見的處理方式是將擋塊內(nèi)邊按平行于邊梁軸線設(shè)置。

3.4 蓋梁計算

蓋梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，計算模型可采用桿系單元模擬，考慮的作用有自重、上部結(jié)構(gòu)恒載、預(yù)應(yīng)力荷載、汽車荷載、均勻升降溫以及豎向溫度梯度。對于是否考慮梯度溫度作用，一般有不同的理解，考慮到倒T型蓋梁肋寬部分與上部結(jié)構(gòu)小箱梁處于相同的日照環(huán)境，其截面存在豎向溫度不均勻分布的現(xiàn)實基礎(chǔ)。為驗證豎向梯度溫度作用對蓋梁受力的影響程度，分別選取本項目中標(biāo)準(zhǔn)段及非標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁進(jìn)行建模分析，模型中其他條件均相同，僅考慮梯度溫度作用施加與否兩種工況，分析在作用的頻遇組合下蓋梁上下緣最小正應(yīng)力及主拉應(yīng)力的分布情況，計算結(jié)果見表2。分析結(jié)果表明，梯度溫度作用對蓋梁受力的影響不容忽視，對于非標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁，由于結(jié)構(gòu)冗余約束的增多，這一影響會愈加顯著。

表2 蓋梁計算結(jié)果 MPa

模型的邊界條件，應(yīng)模擬地基土對樁基礎(chǔ)的彈性約束作用，以適應(yīng)橋墩內(nèi)力分布受基礎(chǔ)剛度影響較大的特點。若采用立柱根部固結(jié)約束，由于與實際邊界條件的差異，會導(dǎo)致蓋梁與立柱內(nèi)力分布與實際受力情況存在較大偏差。

蓋梁牛腿作為直接承受并傳遞上部荷載的關(guān)鍵節(jié)點，應(yīng)滿足節(jié)點強度大于構(gòu)件強度的要求。牛腿的計算方法為，在牛腿有效分布寬度內(nèi)，考慮上部結(jié)構(gòu)最不利作用組合的支反力，分別對其豎直截面、最弱截面、45°斜截面進(jìn)行強度驗算，并滿足要求[7](見圖9)。牛腿有效分布寬度按下式計算：

b1=b+2e

(3)

其中，b1為牛腿有效分布寬度；b為墊石寬度；e為支座中心至牛腿根部距離。

4 過渡墩設(shè)計

倒T型蓋梁柱式墩，受其上部結(jié)構(gòu)跨越能力的限制，一般僅適用于單孔跨徑不超過40 m的橋梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)高架橋跨越重要交叉口節(jié)點、等級航道時，往往需要采用其他跨越能力較大的橋梁結(jié)構(gòu)，一般常用的有變截面連續(xù)箱梁或連續(xù)鋼箱梁。

對于兩種橋梁結(jié)構(gòu)之間的過渡墩設(shè)計，需要根據(jù)其受力特點合理選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。常規(guī)的設(shè)計方案主要有：

1)倒T型蓋梁柱式墩。

選用倒T型蓋梁柱式墩，保持了主要構(gòu)造物設(shè)計風(fēng)格的統(tǒng)一，但由于大跨結(jié)構(gòu)一般采用較少的支座個數(shù)，所以其支反力較大，使得蓋梁的牛腿計算往往不能通過，成為構(gòu)件的薄弱節(jié)點，限制了其使用范圍。一般在大跨結(jié)構(gòu)采用多片連續(xù)鋼箱梁，支反力不至很大時，可以采用倒T型蓋梁柱式墩，但此時往往需要加強蓋梁牛腿配筋。

2)L型蓋梁柱式墩。

L型蓋梁柱式墩，是對倒T型蓋梁柱式墩的優(yōu)化，將大跨橋梁結(jié)構(gòu)直接支撐在橋墩立柱上，從而避免牛腿傳力的不利因素。但L型蓋梁為截面非對稱結(jié)構(gòu)，在非對稱荷載作用下，蓋梁懸臂根部將產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，成為彎矩、剪力、扭矩共同作用的復(fù)雜受力節(jié)點，同時橋墩立柱為滿足支撐空間要求，往往需要較大的截面尺寸，使得橋墩結(jié)構(gòu)整體外觀一般。因此L型蓋梁柱式墩作為過渡墩的設(shè)計方案，理由往往不夠充分，在采取可靠措施保證蓋梁受力可靠情況下，可以采用此方案(見圖10)。

3)矩形蓋梁柱式墩。

矩形蓋梁柱式墩，避免了倒T型蓋梁牛腿傳力的不利因素，也避免了L型蓋梁受力復(fù)雜的特點。由于其截面高度不再部分隱藏于上部結(jié)構(gòu)中，為滿足受力要求，蓋梁截面尺寸需要加大，但矩形蓋梁有較大的鋼束布置空間，在提高配束指標(biāo)的情況下，往往在截面高度不需要增加很多情況下即可滿足受力要求，因此對高架橋整體外觀的影響較小(見圖11)。相較于到T型蓋梁柱式墩和L型蓋梁柱式墩，矩形蓋梁柱式墩為過渡墩較為理想的設(shè)計方案。

5 結(jié)語

1)倒T型蓋梁柱式墩，蓋梁內(nèi)力分布受墩高與基礎(chǔ)剛度影響較大，應(yīng)根據(jù)墩高合理選擇相適應(yīng)的基礎(chǔ)形式，使橋墩結(jié)構(gòu)的整體受力趨于合理。

2)倒T型蓋梁的構(gòu)造設(shè)計，在滿足受力要求的條件下，還應(yīng)符合利于施工的原則。

3)在倒T型蓋梁計算時，邊界條件應(yīng)模擬地基土對樁基的彈性約束作用，參與組合的效應(yīng)應(yīng)考慮豎向梯度溫度作用，對于單側(cè)加寬或雙側(cè)加寬的橋墩，隨著結(jié)構(gòu)冗余約束的增加，二者對結(jié)構(gòu)的受力影響會愈加顯著。

4)倒T型蓋梁柱式墩上部結(jié)構(gòu)一般為裝配式結(jié)構(gòu)，跨越能力有限，在跨越重要交叉口節(jié)點或等級航道時，需要采用大跨橋梁結(jié)構(gòu)，則在進(jìn)行兩種橋梁結(jié)構(gòu)之間的過渡墩設(shè)計時，應(yīng)綜合分析結(jié)構(gòu)的受力特點，選取最優(yōu)方案。