墩梁刚度对门式墩受力影响分析

申 昊

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京市 100037)

1 概述

铁路、地铁高架桥梁在城市中通过时，常常呈小角度斜交上跨公路、铁路。采用门式墩结构可以有效减小上部结构跨度，减小下部结构尺寸，墩柱布置灵活。随着城市建设的飞速发展，门式墩结构又逐渐演变出双柱门式墩、三柱门式墩、M型墩、二层门式墩等多种特殊形式。根据材料不同，又可详细分为：钢筋混凝土门式墩、预应力混凝土门式墩、钢门式墩。预应力混凝土门式墩具有适用于更大的跨度，对侵蚀性环境适应能力强，结构刚度大等优点，因此广泛采用，但是其受力更为复杂，对不均匀沉降等更加敏感。结合某铁路门式墩实际工程，讨论盖梁、桥墩、基础刚度对门式墩整体受力的影响，并提出合理的门式墩优化设计建议。

2 工程背景及设计概况

某新建铁路斜交上跨既有铁路，新建铁路与既有线仅呈8°夹角，如采用连续梁结构跨越，主跨跨度需108m，设计施工难度均较大，桥下净空不满足要求。后采用门式墩方案上跨，上部结构采用7-16m简支T梁，下部结构采用计算跨度15.6m门式墩。

图1 门式墩斜交上跨既有铁路平面布置

3 梁柱线刚度比对结构受力影响分析

门式墩盖梁、墩柱尺寸的拟定除了考虑桥下净高、净宽的影响，更要考虑盖梁线刚度与墩柱线刚度比值变化引起的盖梁与墩身内力变化，进而影响结构配筋。

图2 门式墩斜交上跨既有铁路立面

3.1 盖梁、墩身线刚度比的定义

在桥梁结构设计中引起建筑结构设计常用的线刚度的概念，并做如下定义：

ib、ic—盖梁线刚度；

Ib、Ic—盖梁惯性矩；

bb、bc—盖梁截面宽度；

hb、hc—盖梁截面高度；

lb—盖梁计算跨度；

lc—桥墩墩身高度；

K—盖梁、墩身线刚度比。

3.2 不同盖梁刚度比下盖梁内力分析

在图2中结构基本尺寸条件下，适当调整墩柱尺寸，研究不同线刚度下盖梁内力变化情况。

表1 门式墩盖梁基本尺寸

表2 门式墩墩身尺寸及线刚度比

图3 梁部集中荷载引起盖梁内力

图4 预应力钢束二次力引起盖梁内力

分析模型梁部荷载(恒载+活载)预应力恒载+预应力支点/kN·m跨中/kN·m支点/kN·m跨中/kN·m支点/kN·m跨中/kN·mC183311302096961240067204414C272951373087371344261944822C362011457076701451555435387C450601549564921568447586090

通过改变墩身截面尺寸，研究了不同盖梁墩身线刚度比情况下盖梁截面内力变化。由表3可见，随着墩身刚度逐渐降低，盖梁墩身刚度比逐渐增大，桥墩对盖梁的约束作用逐渐降低，跨中弯矩逐渐增大，墩顶弯矩逐渐减小。

通过对恒载+预应力作用下的盖梁内力分析可以看出，一般设计中预应力引起的盖梁内力大于上部梁重恒载引起的盖梁内力，跨中截面产生上缘受拉趋势的弯矩，墩顶截面产生盖梁角隅受拉趋势弯矩。当盖梁墩身线刚度由1.0逐渐增加至3.0时，跨中弯矩逐渐增加，跨中下缘压应力储备逐渐增大；墩顶弯矩逐渐减小，角隅处拉应力逐渐降低。

实际门式墩设计中普遍存在盖梁跨中下缘压应力储备不足、角隅处由于过多的钢束张拉产生裂缝等问题。通过上述模型分析可以发现，随着墩身刚度比逐渐降低，跨中压应力储备逐渐增加，角隅拉应力逐渐降低，可以有效降低上述两种病害，降低预应力配束，设计更加经济。建议设计中在保证盖梁墩身线刚度1∶1～3∶1范围内，适当增大盖梁墩身线刚度比。

3.3 不同盖梁刚度比下墩身内力分析

在图2中结构基本尺寸条件下，适当调整墩柱尺寸，研究不同线刚度下墩身内力变化情况，并采用容许应力法检算钢筋应力及墩身裂缝。

门式墩是一种超静定结构，除了盖梁与墩身固结而引起的自重、外荷载下的墩身结构弯矩，更重要的是钢束二次内力引起的墩身内力。

表4 墩身内力随线刚度比变化

通过改变墩身截面尺寸，研究了不同盖梁墩身线刚度比情况下墩身截面内力变化。由表4可见，随着墩身刚度逐渐降低，盖梁墩身刚度比逐渐增大， 结构次内力显著降低，墩顶、墩底截面内力基本呈线性降低，墩身钢筋应力及裂缝也逐渐下降。

实际设计中普遍存在这样的病害：施工架梁前对门式墩盖梁超张拉，墩顶角隅、墩底承台顶截面产生较大裂缝；承台顶产生较大的偏心力，基础产生向门墩内侧的不均匀沉降。

通过上述模型分析可以发现，随着墩身刚度比逐渐降低，墩顶、墩底截面偏心受压弯矩逐渐增加，角隅处拉应力逐渐降低，可以有效降低上述两种病害，降低预应力配束，设计更加经济。建议设计中在保证盖梁墩身线刚度1∶1～3∶1范围内，适当增大盖梁墩身线刚度比。

4 群桩桩基刚度对结构受力影响分析

门式墩设计、计算中，外部荷载条件不变时，墩柱内力对约束条件十分敏感：当基础刚度模拟过强时，墩身内力显著增加，盖梁内力有所减小，导致盖梁配束偏于不安全，而墩身配筋过强；而基础刚度模拟过弱时，墩身内力显著减小，盖梁内力相应增加，导致盖梁配束增加，而墩身配筋偏小。

4.1 群桩桩基刚度模拟

门式墩一般采用群桩基础，群桩基础刚度的模拟一般采用《铁路桥涵地基和基础设计规范》中的解析算法。

图5 群桩基础刚度模拟

4.2 不同群桩桩基刚度结构内力

群桩基础刚度可采用空间桩基计算程序B89模拟，得到桩基群桩[K]。将计算得到的理论[K]、0.5[K]、2[K]施加于承台底，并对3种情况下的墩顶、墩底、盖梁跨中进行了比较。

表5 墩身内力随线刚度比变化

表6 桩身内力随线刚度比变化

4.3 不同群桩桩基刚度结构内力比较

根据表5可以看出：

(1)不同桩基刚度下，计算得到的墩身、盖梁内力均有显著变化。

(2)当桩基刚度增加时，墩顶、墩底截面横向弯矩显著增加。通过对横向弯矩组成进行对比，增加的弯矩主要由钢束次内力、收缩徐变二次力引起。

(3)墩身轴向内力受桩基刚度影响不大。

(4)盖梁的弯矩、轴力受群桩刚度影响不大，刚度增加后盖梁轴力有所减小，盖梁弯矩有所增加。

根据对不同桩基刚度下的墩身、盖梁计算结果进行对比，实际工程设计中，除了按规范计算得到的桩基刚度模拟土弹簧，安装于承台底部，尚应乘以适当的放大系数，并根据计算结果进行桥墩配筋，便于墩身设计留有适当的安全系数。

4.4 不同群桩桩基刚度桩基内力比较

表6为不同刚度下桩身内力计算结果，分别对比了群桩刚度、0.5倍群桩刚度、2倍群桩刚度下的桩顶轴力、桩顶弯矩。

从表6计算结果得出：

(1)随着桩基刚度增加，墩底弯矩随之增加，桩身受力产生明显偏压现象，内侧桩顶轴力显著大于框架外侧。

(2)同时，随着桩基刚度增加，桩顶弯矩显著增加，外侧桩基配筋困难，甚至需增设双筋。

根据对不同桩基刚度下的桩基计算结果进行对比，实际工程设计中，除了按规范计算得到的桩基刚度模拟土弹簧，安装于承台底部，尚应乘以适当的放大系数，并根据计算结果进行桩基配筋及承载力验算，便于墩身设计留有适当的安全系数。

5 结论

(1)门式墩结构为高次超静定结构，墩身、盖梁内力对墩梁刚度比变化敏感，建议常规设计控制墩梁刚度比1∶2～1∶3，钢束有效利用率高，墩身横向次弯矩较小。

(2)门墩墩底群桩刚度对墩身内力及配筋影响较大，随着桩基刚度增加，墩身弯矩增加明显。减小桩基根数，减小桩基净距可有效降低桥墩横向受力，优化墩身配筋。

(3)盖梁配筋受桩基刚度影响小，可采用理论群桩刚度进行计算，墩身、桩基配筋则受群桩刚度影响较大，考虑施工误差及承台侧面土压力的影响，工程中宜按1.2～1.3倍理论刚度进行墩身内力计算、配筋。