福州市尤溪洲北桥头单边大悬臂独柱桥墩设计

肖泽荣

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)

0 引言

城市互通立交桥的桥墩通常采用花瓶墩、板式墩、独柱墩和门架墩等形式。有些立交桥由于受到桥下用地紧张和地面交通组织等限制因素的影响，可采用大悬臂独柱墩的结构形式[1-3]。本文将从福州市尤溪洲北桥头互通立交改造工程中的大悬臂独柱墩提出背景、设计思路及应用几个方面进行较为深入的阐述，供广大同仁参考借鉴。

1 工程背景

福州市尤溪洲北桥头互通立交是福州市二环路跨越江滨西大道的一个互通立交，现状立交为部分互通式立交，仅设置两个右转匝道与江滨西大道相连，存在转向交通不畅等问题。本次改造通过增设3条匝道来改善现状立交的转向交通问题。其中新建A匝道与现状匝道拼接点位于江滨西大道上方，如图1所示。

图1 A匝道与现状匝道拼接位置图

A19墩位于新旧匝道相接位置，若采用花瓶墩、板式墩或一般独柱墩，都将占用地面2个车道。若采用门架墩，则会影响江滨西大道的景观。因此，本文作者提出采用单边大悬臂独柱墩作为A19墩的墩型，将桥墩布置于靠现状道路边线，盖梁采用单边悬臂。该方案在其匝道正下方布置一个地面机动车道，且墩柱位于车行道外侧，不仅解决地面交通组织，同时又满足了城市景观的要求。

2 单边大悬臂独柱桥墩设计

2.1 构造尺寸

墩身采用2m×2.5m的方形截面，盖梁单边大悬臂长度为4.15m，两个支座中心线距悬臂固定端的距离分别为0.85m和3.35m，盖梁下缘与墩身之间采用半径为1m圆弧过渡。其基本构造如图2所示。

(a)立面图 (b)侧面图

2.2 预应力钢束布置

为克服偏心造成墩身截面产生较大的弯矩，设置了纵向和横向预应力钢束加强桥墩截面强度。竖向预应力钢束采用国际标准的预应力钢绞线，公称直径15.24mm，张拉强度为1860MPa。横桥向设置成两排，每排4束，贯穿墩身并锚固在承台中。横向预应力筋设置在盖梁中，共5束，主要抵抗外部作用对盖梁产生的弯矩以及剪力，预应力钢束布置如图3所示。

3 结构建模与计算参数取值

采用桥梁博士建立的A19桥墩计算模型，如图4所示。由于现场地质条件较好，且承台刚度比墩身刚度大得多，按刚性地基假定，将墩身底与承台连接视为固结，进行有限元分析。

图3预应力钢束布置图(单位：cm)

图4 桥墩计算模型

3.1 施工阶段验算

在悬臂墩施工过程中，为防止控制截面在施工过程中出现过大的拉应力，该设计对施工全过程进行了详细规定，对钢束张拉、钢箱梁吊装和现浇箱梁等过程进行分阶段细化，具体施工工序如图5所示。

图5 施工工序

钢绞线张拉控制应力值σcon=0.7fpk=1302MPa。表1为施工阶段悬臂端与墩身混凝土的最大、最小正应力。由表1可见，施工阶段混凝土应力均满足要求[4-6]。

表1 A19桥墩施工阶段混凝土应力表 MPa

注：负号表示拉应力

3.2 正常使用极限状态验算

3.2.1抗裂验算

(1)频遇组合

图6与图7分别为频遇组合下截面上下缘的正应力及截面的主拉应力。

由图6可以看出，频遇组合下，A19桥墩上缘最小正应力出现在悬臂根部，为0.32MPa；下缘最小正应力出现在悬臂端部，为0.9MPa，均在允许值(-1.85MPa)内。

由图7可以看出，频遇组合下，A19墩的主拉应力最大值出现在左侧支座处，为-0.9MPa，在允许值(-1.33MPa)内。

图6 截面上下缘正应力(MPa) 图7 截面主拉应力(MPa)

(2)准永久组合

图8为准永久组合下A19桥墩各截面上下缘的正应力。

由图8可以看出，准永久组合下，A19桥墩上缘最小正应力出现在悬臂根部，为0.32MPa；下缘最小正应力出现在悬臂端部，为0.17MPa，均未出现拉应力。

由上述计算结果可知，A19墩在频遇组合及准永久组合下的抗裂验算满足要求[4-6]。

3.2.2标准组合下应力验算

(1)混凝土压应力

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)第7.1条规定，持久状况预应力混凝土构件应力计算时，其应力值取标准组合值。图9为标准组合下纵梁截面上下缘的最大正应力。

图8 准永久组合下正应力图(MPa) 图9 持久状况下主应力图(MPa)

由图9可以看出，A19桥墩悬臂梁部分最大正应力出现在右侧支座位置，为6.04MPa，在允许值(19.4MPa)内。因此，A19墩在持久状况下混凝土应力满足要求[4-6]。

(2)预应力钢束

由表2可知，A19墩在持久状况下预应力钢筋的应力满足要求。

表2 持久状况预应力钢筋应力汇总表 MPa

3.3 承载能力极限状态强度验算

3.3.1正截面抗压承载力验算

图10与图11分别为基本组合下A19桥墩弯矩包络图与轴力包络图。

图10 弯矩包络图(kN·m) 图11 轴力包络图(kN)

由图10和图11可以看出，承载能力极限状态下A19桥墩的正截面抗压承载力满足要求[4-6]。

3.3.2斜截面抗剪强度验算

斜截面抗剪强度验算取用的荷载效应为基本组合效应值，按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)第5.2.9条验算截面尺寸，按照第5.2.7～5.2.8条验算斜截面抗剪承载力。主梁最大剪力及抗力如表3所示。

表3 A19桥墩最大剪力及抗力表 kN

由表3可见，悬臂梁斜截面抗剪强度满足规范要求[4-6]。

4 单边大悬臂独柱桥墩的特点

(1)可将桥墩布置于影响地面交通小的一侧，以提高桥下空间的利用率，同时可以有效避开地下难以迁改管线，缩短施工工期。

(2)墩身属于大偏心受压构件，通过施加竖向预应力，来抵抗较大弯矩。悬臂梁属于受弯构件，上侧通过施加横向预应力，来抵抗较大拉应力。

(3)独柱支承体系，结构承受着“弯、扭、剪”的复杂共同作用，悬臂端同时承受纵、横双向弯矩作用，受力极其复杂，易产生较大的横向弯矩。

5 结语

单边大悬臂独柱墩在福州市区第一次应用，该设计中仍存在许多不足，例如预应力钢束张拉次数较多、墩身尺寸过大等情况，需要今后不断去优化。但从设计及施工应用效果来看，其不仅少占用江滨路现有车道，保证了江滨路足够的车行道宽度。同时，也与江滨路下穿通道在空间上的协调，保证了江滨路视野的通透，达到满足城市景观的要求。因此，该类墩型方案不仅在技术上安全可行，而且在交通和景观方面均满足要求，值得广大桥梁设计者参考并推广。

参考文献

[1] 秦志军, 贾旭东，等.独柱大悬臂盖梁桥墩设计与应用[J].山西交通科技, 2007(4):48-50.

[2] 米春阳.大悬臂预应力盖梁桥墩设计探讨[J].桥梁与隧道工程, 2012(8):101-103.

[3] 祁巍, 聂拥军.大悬臂预应力盖梁设计与计算[J].城市道桥与防洪, 2015(4):65-68.

[4] JTG D60-2015 公路桥涵设计通用规范 [S].北京: 人民交通出版社, 2015.

[6] JTG D63-2007 公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京: 人民交通出版社, 2007.

[6] JTG D62-2004 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.