曲柱式框架墩构件类型的选择

刘钢城

(中交路桥技术有限公司，北京 100029)

1 概况

某城市轻轨机场线区间高架站两端均为高架桥，岛式站台，正常区间线间距为3.6 m～4.2 m，进站前的线间距为13.2 m。受既有城市主干道的影响，轻轨高架桥的桥墩沿中央分隔带内布置，在车站两端进出站的一定范围内，上下行线需要逐步分开设置，线间距逐渐从3.6 m增加至13.2 m。为保证原有道路在施工期间仍能有一定的通行能力，并考虑轻轨高架桥对沿线城市景观的最大协调性，经多方案比选，在车站两端一定范围内采用了曲柱式大悬臂墩，其立面如图1所示，墩身均采用直坡到底的双柱矩形等截面，截面尺寸为横向1.4 m，纵向1.8 m;顶帽均采用大悬臂托盘式墩帽，纵向宽度均为1.8 m。该框架墩具有基础整体性强，占地少，有利于地下管线的铺设避让，地面以上视觉美观，流畅，可以最大程度保障桥墩两侧边城市道路的行车净空。框架墩盖梁上端两侧箱梁为单线轨道梁，两梁中心间的距离为线间距。

图1 桥墩立面图（单位：cm）

2 框架墩的受力特性

在直柱式门架墩受力分析中，由于墩柱一般均垂直于帽梁，在竖向荷载的作用下，墩柱为压弯构件，帽梁为弯剪构件，且一般帽梁的刚度比墩柱横向的刚度要大，所以帽梁与墩柱之间受力比较明确，当帽梁与墩柱的线刚度之比大于5时，双柱式帽梁可按简支梁进行计算，多柱式墩帽梁可按连续梁计算。

本曲柱式大悬臂墩帽梁与曲柱连接部位刚接较强，线形过渡复杂，因此应按框架进行受力分析。设计过程中采用了杆系有限元进行了各种工况下的内力分析，同时为搞清楚曲柱与帽梁相交处的应力分布，采用了弹性力学实体单元进行了应力分析。

杆系法计算表明，曲柱墩悬臂端为受弯构件，曲柱为双向压弯构件，帽梁在两曲柱之间的部分为拉弯构件(全部荷载作用下，弯矩M=3 400 kN·m，拉力N=6 880 kN)。

实体单元分析也表明帽梁的应力分布与杆系法基本一致，应力分布层状明显，显示帽梁中间部分受拉弯作用明显。曲柱的应力分布符合压弯构件的要求(见图2)。

图2 恒载作用下的应力分布图

考虑路线的走线及两边梁部相距13.2 m的距离，因此桥墩帽梁及墩柱直接受太阳的照射作用较强烈，且受雨雪的侵蚀。故非线性温度的作用也不能忽视，计算表明，降温作用不利于柱间的拉弯构件。

3 曲柱墩构件类型的选择

根据内力计算成果及应力分布状况，在恒载及活载作用下，桥墩柱主要受压及双向弯矩，帽梁悬臂端为弯剪力作用。帽梁中间段拉弯作用十分明显。

分析表明，本曲柱框架墩帽梁采用预应力结构最为合理经济，有利于控制中间拉弯构件的出现，可以通过调整预应力钢筋的数量及位置，将原拉弯构件转化为弯矩较小的压弯构件，且可以将帽梁悬臂端受弯构件变成压弯构件，并提高悬臂端的抗剪能力。

帽梁采用钢筋混凝土构件也可行，但截面强度控制所需普通钢筋的配置数量较多，且普通钢筋在上缘的配置量要远远多于下缘的配置量。为限制裂缝宽度，需要控制钢筋的应力，这样在正常使用条件下，普通钢筋的效率不高。为保证构件的耐久性能，应该尽量限制裂缝宽度，充分保证极限强度储备。为保证受拉钢筋承担全部的拉力，钢筋锚固端应进入悬臂端及曲柱墩内部，使拉力钢筋有充分的锚固长度，钢筋能充分发挥其抗拉性能。

为防止帽梁表面在太阳的暴晒与雨水的相互作用下产生表面裂纹，应做好帽梁表面抗雨雪防护，并适当增加钢筋保护层的厚度。

墩柱采用钢筋混凝土构件时在技术上较为合理，也经济耐久。但在钢筋的配置上要充分考虑双向弯矩的作用，比如靠近站台的桥墩始终受到进站列车的制动力作用及出站列车的牵应力作用，二者使桥墩始终受到指向站台方向的力，由于行车密度较大，因此应充分考虑其对桥墩及帽梁的单向作用。在钢筋布置时，在整体满足强度及抗裂性的基础上，建议重点加强墩柱截面四个角处的钢筋配置，充分发挥四个角处钢筋对提高强度及抵抗裂缝出现的作用。

4 结语

通过计算分析比较，发现曲柱式框架墩具有与一般直柱式框架墩不同的受力性能，曲柱框架墩帽梁的中间段为拉弯构件，且拉力随着曲柱斜角的增大而增大，其所受拉力不容忽视，因此设计者应根据具体情况确定采用的构件类型。主要结论如下：

1)曲柱式框架墩造型美观，有利于减少基础的空间，适合城市高架轻轨桥的桥墩。

2)设计曲柱式框架墩帽梁的构件类型时，应该优先采用预应力构件，预应力构件不但效果良好，而且耐久性优越;在条件许可时，也可以采用钢结构。一般不建议采用钢筋混凝土构件，确实需要采用时，应加强普通钢筋的设置，充分满足强度，严格抗裂要求，且应留有较多的富余，应充分保证普通钢筋锚固到受拉区以外的足够锚固长度，并注意适当增加钢筋的保护层厚度。

3)由于曲柱墩是双向压弯构件，因此采用钢筋混凝土构件较为经济合理，在普通钢筋布置时应加强其四个角的钢筋的用量，可以将多根钢筋成束布置或采用合适的型钢。

4)帽梁与曲柱相交的部位受力较为复杂，应加强连接部位钢筋的锚固方式及锚固长度的设计。

［1］ F.莱昂哈特.钢筋混凝土结构的配筋原理［M］.程积高，译.北京：水利电力出版社，1984.

［2］ 袁国干.配筋混凝土结构设计原理［M］.上海：同济大学出版社，1990.