框架墩结构优化设计方案比选

胡 文

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司广州分公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着我国桥梁建设的发展，桥梁结构设计更多的是要将经济与美观相结合，一座桥梁建筑设计再漂亮，若它的造价比同类一般桥梁高出许多，其设计也是失败的[1]。如在大渡河龚嘴电站大桥的设计中，主体结构采用中承式拱桥，而拱圈是采用钢筋混凝土还是钢管混凝土就成了一个问题。由于该桥位于偏远大山之中的大渡河上，砂、石材料较为丰富，可就地取材，而钢管拱不仅造价高昂，且钢管山间运送较难，故经过比选，拱圈采用了更为经济的变截面钢筋混凝土。这样的设计建设问题多有发生，重要的是设计者能否因地制宜地进行科学论证，优化比选。本文以珠海某桥梁下部框架墩为研究对象，通过对框架墩的优化设计及经济比选，得出了更优方案[2-4]。

1 框架墩的优化方案与计算验证

1.1 工程概况

项目位于珠海欢乐海岸规划地块，桥梁正下方为康景路下穿隧道，桥梁边界包括港口河跨河桥、上下桥梁的两条坡道以及桥头两侧连接广场的梯道。桥梁结构为人行桥，兼顾电瓶车通行。港口河为VII级航道，水面宽约50m，桥面宽25m，桥梁上部采用20m+25m+20m预应力混凝土小箱梁，横向采用6片梁，边梁宽2.85m，中梁宽2.4m。下部结构采用桩柱接盖梁。

1.2 框架墩优化方案

原方案盖梁截面采用2.2m（高）×2m（宽），其跨径为22.2m，采用预应力混凝土结构，配置两排4根Φs15.2钢绞线。柱径1.6m，桩径1.8m。

优化后盖梁采用T型截面，盖梁高1.2m，斜撑0.8m×0.8m，横 撑1.2m×0.9m，柱 径1.2m，桩 径1.4m，见图1。

图1 优化后桥墩构造图（单位：cm）

1.3 计算验证

本文采用Midas有限元分析软件，根据桥梁的实际施工过程划分施工阶段，荷载组合按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）第4.1.5～4.1.6条进行分配，求得结构在施工阶段和运营阶段时的内力与应力，验证结构是否满足设计规范要求。优化前后结构模型见图2。

图2 优化前后结构模型

原方案盖梁最大弯矩出现在跨中位置，最大弯矩为34822kN∙m，墩柱最大弯矩为4157kN∙m。优化后方案盖梁最大弯矩出现在盖梁与斜撑刚接位置，最大弯矩为2875kN∙m，墩柱最大弯矩为1700kN∙m。通过对比发现，优化后盖梁弯矩约为原方案的1/12，而桥墩弯矩约为原方案的1/2.45[5-7]。承载能力极限状态弯矩图见图3。提取控制截面位置内力及应力，结果见表1~表4。

表1 原方案盖梁验算结果

表4 优化后墩柱、桩基验算结果

图3 承载能力极限状态弯矩图（单位：kN∙m）

偏心-Mymax表示按偏心受弯构件考虑，弯矩最大时所对应的轴力情况；轴心-Fxmin表示按轴心受压构件考虑，轴力取最小的情况；偏心-Fxmin(My)表示按偏心受压构件考虑，轴力最小所对应的弯矩情况；偏心-Mymin表示按偏心受压构件考虑，弯矩最小所对应的轴力情况。rNd表示结构的重要性系数×作用效应的组合设计最大值，Nn表示构件承载力设计值。

表2 原方案墩柱、桩基验算结果

表3 优化后盖梁验算结果

由表1~表4可知，盖梁、桥墩、桩基验算结果均满足设计规范要求。

2 方案对比

2.1 经济情况比选

根据计算验证，两个方案均是合理的，从经济角度进行比选，详细列出下部结构工程量及造价表[8-10]，见表5。采用桁架式桥墩可节省造价55.4752万元。

表5 计算全桥下部桥墩工程量、造价比较表

2.2 其他比选

（1）本桥盖梁跨径22.2m，跨径较大，需采用预应力混凝土结构，优化后大大减小了盖梁结构尺寸，取消预应力钢束，降低了施工难度，避免了运营期间钢束的养护问题。

（2）优化后方案桩柱主要承受竖向力，弯矩较小。经过计算验证，桩柱直径可由原方案1.8~1.6m优化为1.4~1.2m。阻水比由7.0%降至5.2%。

3 结束语

本文结合珠海市某桥梁下部结构框架墩的结构形式，通过软件计算及经济比选分析不同形式框架墩的合理性，得出以下结论：

（1）对于两柱盖梁且其下方净空不受限时，可采用桁架式结构优化设计，降低造价，避免预应力结构的使用，结构轻盈美观。

（2）当阻水比受限时，采用桁架式能减少桥墩截面，一定程度上降低阻水比。