两种大跨度门式墩方案设计比较分析

聂细锋

（中铁二院贵阳公司，贵州 贵阳 550002）

两种大跨度门式墩方案设计比较分析

聂细锋

（中铁二院贵阳公司，贵州 贵阳 550002）

针对大跨度门式墩，结合预应力混凝土盖梁、立柱与盖梁固结及钢结构盖梁、立柱与盖梁铰接两种方案门式墩力学性能进行有限元分析；并结合工程实际分别从力学性能、经济性能及适用性能对两种门式墩方案进行详细比较，有关经验可供相关专业人员参考。

大跨度；门式墩；钢盖梁；比较分析

0 引言

近年来，随着我国交通建设发展蓬勃，公路、铁路及管线之间的交叉亦逐渐增多，为了减少彼此之间功能的影响，门式墩的使用亦非常普遍[1]。国内门式墩大部分采用预应力混凝土结构，然而当门式墩跨度较大时，混凝土结构门式墩经济性能较差。本文结合贵阳市轨道交通1号线区间某新建高架桥桥址处状况，就采取两种不同形式的大跨度门式墩方案进行综合比较分析，明确各方案优缺点。

1 门式墩工程概况

新建高架桥上跨城市市政道路，受轨道交通线路及市政道路线位交叉控制，门式墩跨度为26.7 m，两立柱高度均为14 m，基础采用桩基础。门式墩平面布置见图1。

图1 门式墩平面布置图（单位：cm）

1.1 门式墩方案介绍

预应力混凝土盖梁方案（方案一）：盖梁截面尺寸见图2（a），立柱与盖梁固结，门式墩横向为框架结构。

钢盖梁方案（方案二）：盖梁截面尺寸见图2（b），立柱与盖梁铰接，门式墩横向为简支结构。

图2 方案一及方案二盖梁截面尺寸图（单位：cm）

立柱为矩形截面，尺寸为2.5 m×3.5 m，根据相关文献[2,3]，混凝土盖梁与立柱刚度比为0.6，处于合理范围。承台尺寸为7 m×7 m×2.5 m，承台底设4根1.5 m直径钻孔桩，桩长为12 m。

预应力混凝土盖梁材料为C50混凝土，钢盖梁为Q345qD钢材，立柱为C40混凝土。

1.2 门式墩模型建立

采用大型通用软件Midas建立门式墩计算模型，盖梁、立柱及桩基础均采用梁单元模拟，地基各土层水平抗力系数根据地质参数m值计算求得。恒载包括梁体及门式墩自重、二期恒载、支座垫石顶梁部恒载反力、预应力荷载、基础变位及混凝土收缩徐变影响；活载包括支座垫石顶梁部活载反力、离心力及横向摇摆力；附加力包括制动力、风力及温度荷载，以上荷载值均根据相应规范[4，5]计算求得。两种方案门式墩有限元模型见图3。

图3 方案一及方案二门式墩墩有限元模型

2 门式墩方案比较分析

方案一预应力混凝土盖梁按全预应力混凝土进行简算，梁体共布置30束M15-17型钢束，最不利工况下截面最大压应力为13.2 MPa，最小压应力为1.3 MPa；方案二钢盖梁采用Q345qD钢材，最不利工况下梁体最大拉、压应力均为121 MPa，满足规范容许值210 MPa要求。在两组方案各组成构件验算结果均满足规范要求的前提下，分别对其进行以下三方面比较。

2.1 力学性能比较分析

根据有限元计算结果，两组方案盖梁、立柱在最不利工况下截面内力数值见表1、表2。

表1 两组方案盖梁内力数值

表2 两组方案立柱内力数值

根据以上分析结果可以得知：（1）预应力混凝土盖梁为压弯受力构件，钢盖梁为纯弯受力构件，钢盖梁跨中弯矩较大，较混凝土盖梁可发挥钢材抗拉性能强的优点，并较混凝土盖梁自重显著减小；（2）方案一立柱与盖梁固结，为压弯受力构件，弯矩及轴力均相对较大，方案二立柱与盖梁铰接，以受压为主，活载及附加力产生的弯矩较小；（3）方案一盖梁与立柱固结为超静定结构，较方案二受温度影响大；（4）根据内力数值，方案二立柱及基础较方案一结构尺寸可进行优化。

2.2 经济性能比较分析

对方案二立柱及基础尺寸进行优化后，两组方案主要材料用量见表3。

表3 两组方案主要材料用量表

据表3可知：（1）方案二较方案一盖梁钢材用量显著较多，造价相对较高；（2）方案二较方案一立柱及基础工程材料用量较少，造价相对较低，同时方案二需增设支座。

另从施工方面考虑，方案一需搭设支架浇筑混凝土盖梁，并张拉预应力，施工过程中对既有道路通行有一定影响；方案二钢盖梁采用吊装拼接施工，施工周期较方案一显著减短。

2.3 适用性能比较分析

当门式墩跨越跨越既有运营线路时，采用钢制盖梁可缩短施工周期，减少对既有运营线路的影响；当地基条件较差时，静定结构较超静定结构可避免基础沉降引起的附加内力。从后期养护角度分析，钢盖梁较混凝土盖梁养护次数多。

3 结论

（1）方案一门式墩为超静定结构，整体刚度较方案二大，同时受次内力影响较大。

（2）方案一较方案二盖梁自重显著增大，立柱及基础外力亦较大。

（3）两种类型门式墩整体经济性能相近，方案二施工周期较方案一显著减短。

（4）当门式墩跨越既有既有运营线路时，采用钢结构盖梁优势较大，施工过程中对运营道路影响较小。

[1]王永超.浅议门式墩的发展与应用[J].城市道桥与防洪,2013(3):104-105,216.

[2]陈明清.大跨度门架墩设计探讨[J].城市道桥与防洪,2009(8):11-15.

[3]姚岚.大跨度钢结构门式墩设计[J].山西建筑,2012(11):201-202.

[4]TB 10002-2017,铁路桥涵设计规范[S].

[5]TB 10091-2017,铁路桥梁钢结构设计规范[S].

TU391

B

1009-7716（2017）12-0060-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.017

2017-06-24

聂细锋（1987-），男，江西丰城人，工程师，从事桥梁结构设计工作。