雙層橋門式墩結(jié)構(gòu)受力分析

周偉光

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司,廣東 廣州 510030）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，土地資源越來越稀缺，橋梁下方空間利用受凈空、墩柱設置等限制，往往不能充分利用。雙層橋梁方案可充分利用橋下空間、節(jié)約用地資源，實現(xiàn)雙層交通功能，更好地滿足交通功能需求，具有良好的應用前景。為實現(xiàn)快速施工，上部結(jié)構(gòu)一般采用預制結(jié)構(gòu)，因此雙層橋下部結(jié)構(gòu)采用雙層門式墩結(jié)構(gòu)，設置雙層蓋梁，實現(xiàn)上下層放置梁片。區(qū)別于常規(guī)橋墩蓋梁，雙層橋門式墩結(jié)構(gòu)受力更為復雜，上下層橋梁施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力存在影響，需對其受力情況充分地分析研究以保證結(jié)構(gòu)安全。目前針對雙層橋梁結(jié)構(gòu)，已有研究成果從不同角度對其進行了研究分析[1-5]。

1 工程概況

某地兩工程項目線位均位于既有道路上，兩個項目相互影響和制約，涉及設計方案、征地拆遷、勘察等各方面協(xié)調(diào)。如兩項目線位采用平面平行布置，用地將大幅增加，且涉及大量征拆。為節(jié)約用地減少征拆，其中一段采用共走廊設計，橋梁結(jié)構(gòu)采用雙層橋方案。為避免現(xiàn)澆施工侵占既有道路，上下層橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用30 m 跨度左右預制小箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)均為雙層門式墩。橋墩采用方柱，蓋梁的高度、寬度根據(jù)具體的受力情況、上部梁高及抗震措施要求確定。上下層蓋梁采用預應力混凝土倒T 形斷面，現(xiàn)澆施工。雙層橋效果圖如圖1 所示，結(jié)構(gòu)典型斷面如圖2 所示。

圖1 雙層橋效果圖

圖2 雙層橋典型斷面示意

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 單、雙層門式墩受力對比分析

常規(guī)單層蓋梁作為受彎構(gòu)件主要承受集中荷載，為分析增設一層蓋梁后對下部結(jié)構(gòu)受力的影響，分別建立單、雙層門式墩結(jié)構(gòu)有限元模型進行分析。計算分析模型中預應力混凝土倒T 形蓋梁中間頂板凸出塊寬1.5 m，總寬3.4 m，高3.1 m，中墩設置局部倒角加高1 m，上下層蓋梁均設置四排鋼束，鋼束規(guī)格為s 15-13~15。邊墩上層為邊長1.8 m 方柱，下層為邊長2.2 m 方柱，接單根直徑2.5 m 樁基；中墩上層為2.2 m 方柱，下層墩柱長3.4 m，寬3.0 m，中墩承臺下設兩根直徑2.8 m 樁基。上部結(jié)構(gòu)恒載傳遞到支座的反力根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果確定，公路I 級荷載按車輪位置按移動荷載輸入，溫度荷載按整體升降溫25 ℃計算，沉降荷載按支座沉降5 mm 計算。

經(jīng)計算，單層上蓋梁最大彎矩為79 146 kN·m，增加一層蓋梁后上蓋梁最大彎矩為80 272 kN·m，對比單層增加1.4%。因墩柱蓋梁剛度較大，增設下層蓋梁對上層蓋梁受力影響可忽略，只需對應增加墩柱及樁基尺寸。計算模型如圖3 所示。

圖3 門式墩計算模型

2.2 上下層蓋梁不同施工順序受力分析

因上下層分屬不同項目，受項目進展影響實施順序存在不一致，需分別分析上下層不同施工順序?qū)﹂T式墩結(jié)構(gòu)受力能否滿足要求。建立多個模型，上層及下層活載分別定義，上（下）層蓋梁計算時，將下（上）層活載對上層蓋梁產(chǎn)生最不利荷載的加載位置導入上（下）層模型，然后進行上（下）層蓋梁的配束計算，計算墩柱時，思路相同。主要工序如表1 所示。

表1 上下層橋梁不同施工順序主要工序

根據(jù)兩種不同施工順序提取內(nèi)力包絡進行計算，蓋梁按A 類預應力構(gòu)件進行驗算。經(jīng)計算，上層蓋梁最不利組合彎矩為92 678 kN·m，承載能力為131 298 kN·m，最不利組合剪力為15 772 kN，承載能力為23 859 kN；下層蓋梁最不利組合彎矩為98 261.4 kN·m，承載能力為116 672.2 kN·m，最不利組合剪力為13 587.2 kN，承載能力為28 451.1 kN；上下層蓋梁正截面抗裂計算均未出現(xiàn)拉應力，斜截面抗裂、持久狀況和短暫狀況構(gòu)件應力計算均滿足規(guī)范[6]要求。

對于墩柱受力，相比常規(guī)墩柱，增設下層蓋梁后墩柱計算長度及約束條件變化，控制截面需考慮上層墩頂、上層墩頂、下層墩頂、下層墩底，墩柱及樁基承載能力計算均滿足要求，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)計算結(jié)果，中墩因軸力較大，控制組合均為軸力最大組合，邊墩中部截面因增設下層蓋梁彎矩增加較大受力變?yōu)閺澗亟M合控制。增設下層蓋梁后的E2 地震作用計算結(jié)果如表3 所示，E2 作用下最小安全系數(shù)1.18，滿足規(guī)范要求。

表2 墩柱及樁基承載能力計算結(jié)果

表3 E2 地震作用下墩身承載能力計算結(jié)果

2.3 下層墩柱預應力管道開孔局部受力分析

對于常規(guī)單層橋梁蓋梁，預應力束開孔均在蓋梁結(jié)構(gòu)中，對于雙層橋，下層蓋梁鋼束管道需穿過橋墩，將對墩柱截面形成一定孔洞，需對開孔處進行受力分析，實體計算模型如圖4 所示。

圖4 局部孔洞實體計算模型

根據(jù)計算結(jié)果，在最不利荷載組合下開孔部位局部壓應力4.7 MPa，部分點位5.0 MPa，墩柱C40 混凝土抗壓強度設計值為18.4 MPa，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

雙層橋門式墩結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力復雜，該文結(jié)合有限元計算分析了上下層橋梁實施順序、增設下層蓋梁對上層蓋梁的影響以及下層鋼束孔洞對墩柱受力的影響。計算結(jié)果表明，增設下層蓋梁對上層蓋梁受力影響可忽略，只需對應增加墩柱及樁基尺寸。采用合適構(gòu)造尺寸及配束情況下，不同上下層橋梁實施順序及鋼束開孔處受力均能滿足要求，文中分析成果可為類似工程提供參考。