装配式桥梁超高变截面空心薄壁墩设计

余武军 何振宇

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430056）

山区高速公路设计中，装配式桥梁相对连续刚构桥具有经济、施工简便、工期短、施工好控制的特点，设计中70 m以上高墩装配式结构应用越来越多。某桥跨径布置为2×30 m＋3×40 m＋3×40 m＋3×30 m装配式T梁，主槽40 m跨有2个墩墩高都在89 m左右，采用横向等宽，纵向1∶100变截面空心薄壁墩，壁厚60 c m。

通过施工阶段分析，先进行桥墩的屈曲稳定性分析［1］，如失稳，则需增大截面尺寸，如不失稳，则按偏心受压构件进行承载能力验算，得到配筋结果。

成桥阶段分析对成桥阶段桥墩持久状况承载力极限状态强度及持久状况正常使用极限状态（短期组合、长期组合）进行计算（裂缝宽度计算和墩顶位移计算等），最后得到配筋结果。

1 变截面空心薄壁墩施工阶段计算

1.1 施工阶段桥墩最不利受力工况

施工时架桥机工顺一般为：喂梁→吊梁→送梁→（横移）放梁→桥面纵移。随着架桥机的工作进行，桥墩的受力模式最不利的情况主要有以下2种，见图1。

图1 桥墩受力模式图

1.1.1 计算工况A

模式A选取的是架桥机吊梁完毕，准备落本桥墩上第一片T梁时的工况，墩顶为自由状态。

桥墩受力为：

竖向力。架桥机前支点反力N（偏心作用，架桥机自重及一片T梁自重引起的前支点反力）。

水平力。桥墩（包括帽梁）顺桥向风荷载q。

温度荷载。桥墩前后截面温差5℃，对墩身内力影响较小，主要考虑引起的墩身变位导致的竖向力作用变化。

约束：墩底固结，墩顶自由。

1.1.2 计算工况B

此模式下，为求得上部结构传递到墩顶的竖向力最大偏心弯矩作用，选取桥墩一侧的T梁全部架设完毕，同时已经起吊一片梁准备运送到架设完的这一孔的工况，此时墩顶后退方向一跨的T梁已经采取临时焊接措施固定，可以认为基本形成门架体系，墩顶在水平风力作用下横向位移较小，比较精确求解墩身内力可以在墩顶加个水平弹性支撑，弹性支撑刚度可利用模式A中风荷载作用的计算结果；或者近似地认为墩顶铰接，两者计算结果相差不大。

桥墩受力为：

竖向力。架桥机前支点反力N（偏心作用，架桥机自重及一片T梁自重引起的前支点反力）、已经架设完的一孔T梁自重反力（偏心作用）。

水平力。桥墩（包括帽梁）顺桥向风荷载q。温度荷载。桥墩前后截面温差5℃。

约束。墩底固结，墩顶弹性支撑或铰接。

1.2 施工阶段计算方法

通过计算，最不利工况为：架设完一孔T梁，正准备施工另一孔（下一跨的1片T梁已运至此孔）。本文运用2种方法进行结构配筋计算。

（1）运用MIDAS Civil建立不同墩高情况下的模型，考虑几何非线性，得到墩底截面内力，然后进行荷载组合，得到的e0＝Md／Nd，即为增大后的偏心矩，按偏心受压构件进行配筋计算。

（2）结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（以下简称《公预规》）［2］和以往的设计经验，取最不利工况下的构件计算长度［3］为0.7l0（一端固定，一端铰接）、2l0（一端固定，一端自由），根据《公预规》相关公式得到偏心距增大系数，按偏心受压构件进行配筋计算。

1.3 稳定性分析

运用MIDAS Civil进行了屈曲分析，理论上应分别计算在计算工况A和计算工况B的稳定系数，为简单起见，不计算工况A，而偏保守地计算工况B时，将约束设置为墩底固结，墩顶自由进行计算。

荷载包括：风荷载、一孔5片T梁＋运送的一片T梁自重、温度荷载、架桥机自重、桥墩及帽梁自重。以上荷载均考虑最大偏心时候的情况。

一孔5片T梁＋运送的一片T梁引起的桥墩反力为：

5片T梁架设完毕引起桥墩反力（50.05×2＋52.32×3）／2×26＝3 341.78 k N，偏心距0.6 m；1片T梁运送到桥墩处，反力为52.32×26＝1 361.36 k N，架桥机偏心距0.7 m。

单片T梁重52.32×26＝1 360.32 k N，采用西安JQJ-2 A型架桥机，组装后重量224 t，在桥墩处反力为224×10／2＝1 120 k N，偏心距0.7 m。

帽梁自重。1 800 k N。

在得到不同墩高相应截面尺寸下的一阶屈曲稳定系数，计算结果如下：

81 m，6.5 m×（2.8～4.42）m：λ＝17.1。90 m，6.5 m×（2.8～4.6）m：λ＝14.3。根据经验和以往的理论分析，稳定性系数可满足稳定性要求。

1.4 强度及配筋

结合《公预规》和以往的设计经验，取最不利工况下的构件计算长度为0.7l0（一端固定，一端铰接）和2l0（一端固定，一端自由）分别进行计算，根据《公预规》相关公式得到偏心距增大系数，按偏心受压构件进行配筋计算。

1.4.1 墩高81 m

先拟定截面为6.5 m×（2.8～4.42）m，壁厚0.6 m。

工况。架设完一孔T梁，正准备施工另一孔（下一跨的1片T梁已运至此孔）。

荷载。5片T架设完引起桥墩反力（50.05×2＋52.32×3）／2×26＝3 341.78 k N，偏心距0.6 m；1片T运送到桥墩处，反力为52.32×26＝1 361.36 k N，架桥机偏心距0.7 m。

弯矩。3 341.78×0.6＋1 361.36×0.7＝2 958.02 k N·m。

采用西安JQJ-2 A型架桥机，组装后重量2 240 k N，在桥墩处反力为224×10／2＝1 120 k N，偏心距0.7 m，弯矩1 120×0.7＝784 k N·m。

帽梁自重。N0＝1 800 k N。

墩身自重。N1＝23 141.8 k N。

计算得到总的荷载效应为：

墩身及帽梁风荷载产生的弯矩。M1＝25 555.1 k N·m。

墩顶力产生的弯矩。M2＝2 958.02＋784＝3 742.02 k N·m。

弯矩设计组合值。Md＝0.7×1.1 M1＋0.8×1.4×M2＝23 868.5 k N·m。

桥墩自重。N1＝23 141.8＋1 800＝24 941.8 k N。

墩顶竖向力。N2＝3 341.78＋1 361.36＋1 120＝5 823.14 k N。

轴力设计组合值。N＝1.2×N1＋0.8×1.4×N2＝36 452.1 k N。

e0＝Md／Nd＝0.655 m。

计算长度取分别取0.7l0＝56.7 m，2l0＝162 m。

偏心距增大系数。4.030 947。

受压区钢筋面积243.28 c m2，受拉区钢筋面积364.920 0 c m2，若采用直径28 mm钢筋，上缘40根，下缘60根，计算结果满足规范强度要求。

1.4.2 墩高90 m

先拟定截面为6.5 m×（2.8～4.6）m。按照同样方法计算结果如下：受压区钢筋面积247.6 c m2，受拉区钢筋面积371.4 c m2，若采用直径28 mm钢筋，上缘41根，下缘61根，计算结果满足规范强度要求。若采用对称配筋上下缘钢筋面积为325.152 3 c m2，均采用53根直径28 mm钢筋。

2 变截面空心薄壁墩成桥阶段计算

主要计算成桥运营阶段中的持久状况承载力极限状态和持久状况正常使用极限状态。持久状况承载力极限状态计算包括成桥阶段桥墩强度计算；持久状况正常使用极限状态计算主要为裂缝宽度计算。

图2 全桥模型图

结构分析采用空间程序MIDAS CIVIL6.7.1。墩高90 m，均采用固结，用刚性连接模拟，模型见图2。根据《公预规》，取以上荷载最不利组合值进行配筋计算，偏心受压构件配筋时，由于成桥阶段墩顶已经有很大的约束，近似将桥墩墩顶铰接，这样计算长度取0.7 L。

2.1 运营阶段中持久状况承载力极限状态计算

运营阶段承载力极限状态计算见表1。单项内力计算最不利结果见表2。由此可见风力是影响高墩内力的关键因素；其次，按影响大小先后分别为桥台基础沉降、制动力、整体温度效应、车道荷载。所以沉降、温度作用在高墩计算中影响很大，不能忽视。

表1 运营阶段承载力极限状态计算表

表2 单项最不利内力表（1-2，59-60单元分别表示1，2号桥墩墩底、墩顶截面）

2.2 运营阶段持久状况正常使用极限状态计算

1-2号单元表示1，2号桥墩墩底单元，59-60号单元表示1，2号桥墩墩顶单元。根据试算，需要加大截面尺寸，截面尺寸采用7.0 m×（2.9～（4.3～4.7））m，壁厚0.6 m，双侧截面配筋均按裂缝控制配筋，同时达到《公预规》中构造配筋最小含筋率的要求。其中90 m墩高实际布置时，采用上下2层，间距14 c m布置，上层钢筋50φ32，下层34φ20，合计钢筋面积为508.938 c m；单侧配筋率为0.389%。最大裂缝发生在使用状态短期组合下，59号单元墩顶截面计算最大裂缝宽度为0.179 mm，不超过0.2 mm，满足规范的要求。裂缝宽度计算见表3。

表3 裂缝宽度计算表

3 结论

根据以上分析得出，高墩受力时，装配式桥梁高墩力学上对温度、收缩徐变、基础变位、风力、汽车制动力比较敏感，设计应进行全方位计算，从力学上考虑设计措施，尤其不能忽略高墩裂缝控制计算，有时裂缝控制整个高墩设计，在设计上应加强对桥墩的抗裂验算配筋。设计时适当增加桥墩及桥台基底的嵌入深度，尽量减少基础变位，同时施工中避免对基础的扰动，以防基础变位。

如果有条件的话，可以对高墩运用大型通用程序进行局部分析计算，确保高墩设计的科学性、合理性。同时在施工时应避免在高温施工，避免基础变位影响。

［1］ 程 宇，李玲芳，孙跃中.桥梁高墩稳定性设计计算探讨［J］.交通标准化，2012（8）：104-107.

［2］ JTGD62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 齐宏学.装配式梁桥高墩计算长度系数探讨［J］.公路，2011（11）：51-55.