框架墩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案比選

胡 文

（濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責任公司廣州分公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著我國橋梁建設(shè)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計更多的是要將經(jīng)濟與美觀相結(jié)合，一座橋梁建筑設(shè)計再漂亮，若它的造價比同類一般橋梁高出許多，其設(shè)計也是失敗的[1]。如在大渡河龔嘴電站大橋的設(shè)計中，主體結(jié)構(gòu)采用中承式拱橋，而拱圈是采用鋼筋混凝土還是鋼管混凝土就成了一個問題。由于該橋位于偏遠大山之中的大渡河上，砂、石材料較為豐富，可就地取材，而鋼管拱不僅造價高昂，且鋼管山間運送較難，故經(jīng)過比選，拱圈采用了更為經(jīng)濟的變截面鋼筋混凝土。這樣的設(shè)計建設(shè)問題多有發(fā)生，重要的是設(shè)計者能否因地制宜地進行科學論證，優(yōu)化比選。本文以珠海某橋梁下部框架墩為研究對象，通過對框架墩的優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟比選，得出了更優(yōu)方案[2-4]。

1 框架墩的優(yōu)化方案與計算驗證

1.1 工程概況

項目位于珠海歡樂海岸規(guī)劃地塊，橋梁正下方為康景路下穿隧道，橋梁邊界包括港口河跨河橋、上下橋梁的兩條坡道以及橋頭兩側(cè)連接廣場的梯道。橋梁結(jié)構(gòu)為人行橋，兼顧電瓶車通行。港口河為VII級航道，水面寬約50m，橋面寬25m，橋梁上部采用20m+25m+20m預應力混凝土小箱梁，橫向采用6片梁，邊梁寬2.85m，中梁寬2.4m。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱接蓋梁。

1.2 框架墩優(yōu)化方案

原方案蓋梁截面采用2.2m（高）×2m（寬），其跨徑為22.2m，采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，配置兩排4根Φs15.2鋼絞線。柱徑1.6m，樁徑1.8m。

優(yōu)化后蓋梁采用T型截面，蓋梁高1.2m，斜撐0.8m×0.8m，橫 撐1.2m×0.9m，柱 徑1.2m，樁 徑1.4m，見圖1。

圖1 優(yōu)化后橋墩構(gòu)造圖（單位：cm）

1.3 計算驗證

本文采用Midas有限元分析軟件，根據(jù)橋梁的實際施工過程劃分施工階段，荷載組合按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第4.1.5～4.1.6條進行分配，求得結(jié)構(gòu)在施工階段和運營階段時的內(nèi)力與應力，驗證結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計規(guī)范要求。優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)模型

原方案蓋梁最大彎矩出現(xiàn)在跨中位置，最大彎矩為34822kN?m，墩柱最大彎矩為4157kN?m。優(yōu)化后方案蓋梁最大彎矩出現(xiàn)在蓋梁與斜撐剛接位置，最大彎矩為2875kN?m，墩柱最大彎矩為1700kN?m。通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后蓋梁彎矩約為原方案的1/12，而橋墩彎矩約為原方案的1/2.45[5-7]。承載能力極限狀態(tài)彎矩圖見圖3。提取控制截面位置內(nèi)力及應力，結(jié)果見表1~表4。

表1 原方案蓋梁驗算結(jié)果

表4 優(yōu)化后墩柱、樁基驗算結(jié)果

圖3 承載能力極限狀態(tài)彎矩圖（單位：kN?m）

偏心-Mymax表示按偏心受彎構(gòu)件考慮，彎矩最大時所對應的軸力情況；軸心-Fxmin表示按軸心受壓構(gòu)件考慮，軸力取最小的情況；偏心-Fxmin(My)表示按偏心受壓構(gòu)件考慮，軸力最小所對應的彎矩情況；偏心-Mymin表示按偏心受壓構(gòu)件考慮，彎矩最小所對應的軸力情況。rNd表示結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)×作用效應的組合設(shè)計最大值，Nn表示構(gòu)件承載力設(shè)計值。

表2 原方案墩柱、樁基驗算結(jié)果

表3 優(yōu)化后蓋梁驗算結(jié)果

由表1~表4可知，蓋梁、橋墩、樁基驗算結(jié)果均滿足設(shè)計規(guī)范要求。

2 方案對比

2.1 經(jīng)濟情況比選

根據(jù)計算驗證，兩個方案均是合理的，從經(jīng)濟角度進行比選，詳細列出下部結(jié)構(gòu)工程量及造價表[8-10]，見表5。采用桁架式橋墩可節(jié)省造價55.4752萬元。

表5 計算全橋下部橋墩工程量、造價比較表

2.2 其他比選

（1）本橋蓋梁跨徑22.2m，跨徑較大，需采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后大大減小了蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸，取消預應力鋼束，降低了施工難度，避免了運營期間鋼束的養(yǎng)護問題。

（2）優(yōu)化后方案樁柱主要承受豎向力，彎矩較小。經(jīng)過計算驗證，樁柱直徑可由原方案1.8~1.6m優(yōu)化為1.4~1.2m。阻水比由7.0%降至5.2%。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合珠海市某橋梁下部結(jié)構(gòu)框架墩的結(jié)構(gòu)形式，通過軟件計算及經(jīng)濟比選分析不同形式框架墩的合理性，得出以下結(jié)論：

（1）對于兩柱蓋梁且其下方凈空不受限時，可采用桁架式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，降低造價，避免預應力結(jié)構(gòu)的使用，結(jié)構(gòu)輕盈美觀。

（2）當阻水比受限時，采用桁架式能減少橋墩截面，一定程度上降低阻水比。