現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋下部結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩特點(diǎn)分析及承載力計(jì)算

姚莉

(深圳高速工程顧問有限公司，北京市100107)

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋下部結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩特點(diǎn)分析及承載力計(jì)算

姚莉

(深圳高速工程顧問有限公司，北京市100107)

結(jié)合南方某沿海城市快速路項(xiàng)目某匝道橋下部結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩設(shè)計(jì)過程，討論分析了該預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩在以現(xiàn)澆連續(xù)箱梁作為上部結(jié)構(gòu)部件時(shí)的具體特點(diǎn)，還研究了怎樣根據(jù)具體特點(diǎn)進(jìn)行特有結(jié)構(gòu)型式比選并進(jìn)行承載能力計(jì)算。其成果對(duì)于同類型預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩設(shè)計(jì)工作具有一定的借鑒意義。

現(xiàn)澆連續(xù)箱梁;下部結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩;特點(diǎn)分析;結(jié)構(gòu)型式比選;承載能力計(jì)算

0 引言

近年來，我國沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)為了提高交通運(yùn)輸效率、增大疏解能力、降低工程征地成本，大量修建了結(jié)構(gòu)簡潔的快速路高架橋。由于我國沿海地區(qū)作為經(jīng)濟(jì)中心的慣性還將較長時(shí)間地存在著，這會(huì)使城市中因工程用地產(chǎn)生的矛盾更加突出，造成城市工程用地成本高于結(jié)構(gòu)物造價(jià)的差距更為加大，“以空間降成本”的高架橋?qū)⒃诔鞘械缆饭こ讨腥找嬖黾颖戎亍?/p>

今后隨著城市建設(shè)管理更加規(guī)范，更加重視遠(yuǎn)期規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)路徑是否暢通，城市道路中的高架橋梁不僅要承擔(dān)結(jié)構(gòu)本身的運(yùn)輸效益需求與城市社會(huì)效益需求，而且要兼顧橋梁下道路的近期用地成本效益，以及兼顧遠(yuǎn)期運(yùn)輸效益和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期規(guī)劃成本效益——即如何在遠(yuǎn)期規(guī)劃與橋梁下部結(jié)構(gòu)所需用地產(chǎn)生沖突時(shí)，利用特殊結(jié)構(gòu)在“異形”建筑用地上，有效、快速地完成下部結(jié)構(gòu)承載能力搭建，是今后經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)高架橋梁建設(shè)中必須解決的問題。采用預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩是一種有效辦法。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩特點(diǎn)分析

1.1 偏心墩在-定范圍內(nèi)更為經(jīng)濟(jì)

偏心墩可以有限適用于前文所說的“異形”建筑用地——可用建設(shè)用地及橋下建筑限界相對(duì)橋梁中心線不對(duì)稱，且不能滿足設(shè)置以橋梁中心線對(duì)稱的下部結(jié)構(gòu)的最小用地需求，相對(duì)于改變“異形”建筑用地的成本，改變結(jié)構(gòu)利用偏心墩完成下部結(jié)構(gòu)的功效則更為經(jīng)濟(jì)。在這里之所以說“一定范圍內(nèi)”和“有限適用”是因?yàn)樵擃愋徒Y(jié)構(gòu)的造價(jià)也會(huì)根據(jù)偏心距的增大而增大，并且是非線性加速增大，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度也同樣加大，當(dāng)結(jié)構(gòu)造價(jià)及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度達(dá)到一定水平時(shí)，必然會(huì)造成整體橋梁方案甚至是路線方案的修改。

1.2 偏心墩在-定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)分析更簡單

本文所介紹的預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩承載力驗(yàn)算時(shí)，較一般橋墩的承載能力驗(yàn)算，在所受彎矩這一項(xiàng)目中有較大增強(qiáng)，需要通過墩身內(nèi)錨固在基礎(chǔ)及墩身頂?shù)念A(yù)應(yīng)力索產(chǎn)生的與外力合力點(diǎn)異側(cè)的軸力及彎矩，用以平衡所受軸力加彎矩產(chǎn)生的一系列作用，由于是用“內(nèi)力”平衡外力影響，故而結(jié)構(gòu)受力簡單，可將計(jì)算過程先簡化為平面桿系計(jì)算，然后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束配索，可以有一定的縮短設(shè)計(jì)周期的作用。當(dāng)然這也是有條件限制的，即“一定范圍”，當(dāng)偏心產(chǎn)生的形變無法用預(yù)應(yīng)力鋼束平衡，或恒載狀態(tài)下為平衡偏心影響配置的預(yù)應(yīng)力鋼束所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響時(shí)，可簡化計(jì)算的偏心墩將不再適用。

1.3 偏心墩還具備-些其他優(yōu)點(diǎn)

(1)橋墩墩身結(jié)構(gòu)自身有較大的剛度，同時(shí)對(duì)上部構(gòu)造來說有較好的穩(wěn)定性;(2)由于結(jié)構(gòu)邊界條件簡單，客觀上減少了病害的發(fā)生;(3)偏心墩在模板完成，以及鋼筋預(yù)埋的情況下可以一次澆筑，在同等條件下，降低了常用墩柱接蓋梁的下部結(jié)構(gòu)施工時(shí)為更換不同材料而多次澆筑產(chǎn)生的各種困難，適當(dāng)加快了工期;(4)使用偏心墩時(shí)，會(huì)盡量少地使用對(duì)上部構(gòu)造的支座數(shù)量，且橋墩墩身為了減少剪力影響而進(jìn)行的擴(kuò)大化設(shè)計(jì)，對(duì)養(yǎng)護(hù)工作來說提供了更多的便利，降低了養(yǎng)護(hù)工作的難度和成本。

2 工程實(shí)例

2.1 橋梁概況

南方某沿海城市快速路項(xiàng)目某匝道橋是主線橋的下行匝道橋，該橋上行縱向跨越一重要通道的輔道，橋梁全長251.5 m，全橋共三聯(lián)?，F(xiàn)討論的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心橋墩位于第二聯(lián)的第二個(gè)橋墩，其上部結(jié)構(gòu)采用(4×25 m)現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為躲避一條規(guī)劃道路的輔道，采用獨(dú)柱預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心橋墩，承臺(tái)接摩擦樁基礎(chǔ)。

橋梁主要尺寸及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:全寬-8.5 m，凈寬-7.5 m，公路-Ⅰ級(jí)荷載，現(xiàn)澆梁高140 cm，瀝青混凝土鋪裝厚10 cm，設(shè)計(jì)車道數(shù)按照兩車道計(jì)算， 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心橋墩墩高為5.3 m，固定墩，7度設(shè)防地震烈度。橋跨布置的平縱斷面如圖1所示;預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心橋墩(推薦方案)斷面圖如圖2所示。

圖1 大橋第二聯(lián)橋跨布置圖(單位:cm)

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心橋墩(推薦方案)與(比較方案)斷面圖(單位:cm)

2.2 方案選取過程及計(jì)算基礎(chǔ)資料

在方案選取過程中最初作者設(shè)計(jì)出的是比較方案(見圖2)——帶蓋梁兩支座偏心墩的方案;而后通過簡化，再次設(shè)計(jì)產(chǎn)生了第二方案，即推薦方案(見圖2)。

最初的比較方案與后來的推薦方案最大的區(qū)別在于，推薦方案適當(dāng)放棄了對(duì)上部結(jié)構(gòu)抗扭性能以及側(cè)向穩(wěn)定性的追求(因?yàn)榈谝?、三、四、五橋墩均為雙支座)，用以換取偏心墩力學(xué)模型中偏心距最小化。

通過上述方案介紹、比較，以及圖2中顯而易見的型式與尺寸的差別，可以清晰地看到推薦方案在經(jīng)濟(jì)性上，以及力學(xué)性能與橋下建筑限界的平衡方面具有較明顯的優(yōu)勢。

采用上述推薦方案另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:可以將預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心橋墩墩身處左右分為兩部分，一部分為矩形部分，另一部分為梯形部分，將矩形部分當(dāng)作偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算中需要將梯形部分的自重，以及上部結(jié)構(gòu)在各種工況下的荷載，加載到矩形部分的偏心受壓構(gòu)件上，以軸力加彎矩的作用在偏心受壓構(gòu)件上，模擬偏心墩的各種工況條件下所承受的恒載與活載。由于墩身下配有承臺(tái)，所以墩身的邊界條件為固結(jié)約束。并且由于僅有一個(gè)支座，所以在計(jì)算中也不用考慮上部結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)墩身整體產(chǎn)生除了支座位置以外的額外的作用。

綜上所述，最終選定了用單支座異形花瓶墩方案，即推薦方案。

具體的參數(shù)的選取，其內(nèi)容如下所述。

2.2.1 材料選用

墩身:C40混凝土;

鋼筋:R235、HRB335鋼筋;

預(yù)應(yīng)力鋼絞線:270級(jí)高強(qiáng)低松弛剛絞線，fpk=1 860 MPa。

2.2.2 外荷載數(shù)據(jù)

(1)承載能力極限狀態(tài)下，上部結(jié)構(gòu)傳給支座的最大反力按照7 260 kN計(jì)算。

(2)使用極限狀態(tài)長期荷載作用下，上部結(jié)構(gòu)傳給支座的最大反力按照5 313.4 kN計(jì)算。

(3)使用極限狀態(tài)短期荷載作用下，上部結(jié)構(gòu)傳給支座的最大反力按照5 034.4 kN計(jì)算。

(4)梯形段自重按照81.54 kN的軸力，以及47.7 kN·m的偏心彎矩計(jì)算。

(5)風(fēng)荷載水平力取值為80.6 kN，彎矩取值為427.2 kN·m，分項(xiàng)系數(shù)取值為1.1。

(6)鋼束參數(shù)及數(shù)量取值(預(yù)應(yīng)力鋼束布置方案圖如圖3):

張拉控制應(yīng)力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa;

松馳系數(shù)取0.3，孔道摩阻0.25，孔道偏差0.0 015，錨具變形0.006;

鋼絞線數(shù)量: (m束×n股):3×9。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土偏心橋墩預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖(單位:cm)

2.3 計(jì)算及分析

2.3.1 承載能力計(jì)算

2.3.1.1 工況Ⅰ橫向穩(wěn)定檢算

a. 按軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行橫向穩(wěn)定檢算:

偏心墩墩身的力學(xué)模型按軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行橫向穩(wěn)定檢算，根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》第5.3.1 條規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算如下:

γo×Nd≤0.9φ(fcd×A+fsd'×As')

式中參數(shù)取值見表1所列。

表1 軸心受壓構(gòu)件橫向穩(wěn)定檢算參數(shù)表

計(jì)算結(jié)果見表2所列。

表2 軸心受壓構(gòu)件橫向穩(wěn)定檢算結(jié)果-覽表

張拉預(yù)應(yīng)力階段:

γo×Nd=3 302 kN≤0.9φ(fcd×A+fsd'×As')= 39 900 kN，符合規(guī)范規(guī)定。

運(yùn)營階段:

γo×Nd=7 633 kN≤0.9φ(cd×A+fsd'×As')= 39 900 kN，符合規(guī)范規(guī)定。

b. 按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行橫向穩(wěn)定檢算:

偏心墩墩身的力學(xué)模型按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行橫向穩(wěn)定檢算，根據(jù)《鋼筋及預(yù)應(yīng)力混凝土規(guī)范》第5.3.3～5.3.5條規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算如下:

結(jié)構(gòu)需要先進(jìn)行大偏心與小偏心結(jié)構(gòu)的判斷;具體參數(shù)見表3所列。

假定按大偏心受壓，σs=fsd=280 MPa

fcd×b×x(es-ho+x/2)=σs×As×es+f'sd×A's×e's可歸類為:

0.5×fcd×b×x2+(es-ho)×fcd×b×x-(σs×As×es+f'sd× A's×e's)=0

根據(jù)A×X2+B×X-C=0求解公式，求解過程及結(jié)果如表4所列。

對(duì)于上述兩階段顯而易見:

X>2a's=2×50=100(mm).

ξ=X/ho

張拉預(yù)應(yīng)力階段:

ξ=0.105≤ξb=0.56，因此該階段為大偏心受壓構(gòu)件。

運(yùn)營階段:

ξ=0.330≤ξb=0.56，因此該階段為大偏心受壓構(gòu)件。

根據(jù)公式(5.3.5-1)式:

γo×Nd≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs×As

張拉預(yù)應(yīng)力階段:

γo×Nd=2 930(kN)≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs×As= 4 588(kN)，符合規(guī)定。

運(yùn)營階段:

γo×Nd=7 260(kN)≤fcd×b×X+f'sd×As'-σs× As=12 033(kN)，符合規(guī)定。

根據(jù)公式(5.3.5-2)式:

γo×Nd×e≤fcd×b×X×(ho-X/2)+f'sd×As'× (ho-a's)

張拉預(yù)應(yīng)力階段:

γo×Nd×e=7 255(kN·m)≤fcd×b×X×(ho-X/2)+ f'sd×As'×(ho-a's)=11 362(kN·m)，符合規(guī)定。

運(yùn)營階段:

γo×Nd×e=14 769(kN·m)≤fcd×b×X×(ho-X/2)+ f'sd×As'×(ho-a's)=24 479(kN·m)，符合規(guī)。

c. 裂縫檢算(偏心受壓):

各參數(shù)如表5、表6、表7所列。

根據(jù)公式:Wtk=C1×C2×C3×σss/Es×[(30+d)/ (0.28+10×ρ)]

張拉預(yù)應(yīng)力階段:

W tk=0.0 834(mm)<0.2 mm，符合規(guī)定。

運(yùn)營階段:

Wtk=0.1 612(mm)<0.2 mm，符合規(guī)定。

表3 軸心受壓構(gòu)件橫向穩(wěn)定檢算參數(shù)表

表4 軸心受壓構(gòu)件橫向穩(wěn)定檢算結(jié)果-覽表

表5 裂縫檢算(偏心受壓)參數(shù)表(1)

表6 裂縫檢算(偏心受壓)參數(shù)表(2)

表7 裂縫檢算(偏心受壓)參數(shù)表(3)

2.3.1.2 預(yù)應(yīng)力損失驗(yàn)算

根據(jù)該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過驗(yàn)算，符合規(guī)定。

2.3.2 計(jì)算分析結(jié)論

根據(jù)上述的簡化模型分析，以及計(jì)算結(jié)果，可得到如下結(jié)論:(1)根據(jù)對(duì)簡化后模型的判斷，預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力除了單支座的影響外無其他不利影響;(2)當(dāng)下部結(jié)構(gòu)應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩后，在一定范圍內(nèi)可以減少工程造價(jià);(3)在有機(jī)調(diào)整墩身各部位尺寸后，采用大偏心受壓構(gòu)件——即預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩，可以在“異形”建筑用地上有效實(shí)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)的功效。

3 結(jié)語

通過對(duì)南方某沿海城市快速路項(xiàng)目中，某高架橋梁的下行匝道橋預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩的討論分析，得到一些針對(duì)能保證異形建筑用地正常適用、橋下建筑限界和建筑高度的預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩設(shè)計(jì)有用的分析方法和結(jié)論，有利于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)現(xiàn)代化城市中的高架橋梁設(shè)計(jì);同時(shí)分析證明了利用預(yù)應(yīng)力混凝土偏心墩在一定范圍內(nèi)減少工程造價(jià)、降低養(yǎng)護(hù)難度和養(yǎng)護(hù)成本的可能性。

U443.22

B

1009-7716(2015)11-0073-04

2015-08-10

姚莉(1985-)，女，甘肅天水人，工程師，從事公路與市政道路工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工作，研究方面;橋梁工程。