杨 林,饶浩淼
(1.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610;2.广州市城市规划勘测设计研究院,广东 广州 510060)
随着城市的快速发展,土地资源日趋紧张,同时为了避开城市地下复杂的管线及现有构筑物,城市立交、高架桥的下部结构出现了很多异型桥墩,主要包括Y 型墩、V 型墩、X 型墩[1-3]和弹弓型墩。
(1)Y 型墩是独柱墩的一种,其底面采用圆端形或矩形截面形式,上部柱墩采用分叉的Y 形式。Y型墩占用桥下空间小,受力性能良好,抗倾覆能力好。Y 型墩运用在渝遂高速公路黄木沟高架桥。
(2)V 型墩是指下部由基础顶面直接分叉的桥墩, 根据分叉方向分为横向V 型墩和纵向V 型墩,横向V 型墩和Y 型墩类似,纵向V 型墩常与主梁固结,应用在很多连续刚构桥梁中。
(3)X 型墩是指底部与上部分叉,在中间相交的桥墩形式,常用在跨河桥,桥下的空间小,有助于水流的通行,其受力特性和Y 型墩相似,运用在较多桥梁上。
(4)弹弓型墩是指在Y 型墩盖梁上设置上层墩柱及盖梁,支撑上层桥梁,桥墩整体外形呈弹弓形,在不增加占地的情况下解决立交桥梁的支撑问题。深圳地铁6号线出入段线段部分桥墩采用了弹弓型墩。
本文选取比较典型且结构复杂的弹弓型墩进行设计研究。
桥墩由下部墩柱、下部盖梁、上部墩柱和上部盖梁组成。墩柱、盖梁及支承垫石均采用C50 混凝土,桥墩构造如图1 所示。
图1 桥墩构造图(单位:mm)
墩柱采用圆端形矩形截面,横桥向4.0 m,纵桥向2.8 m;盖梁采用变高度矩形截面,宽3.0 m,高2.5~3.4 m;立柱采用矩形截面,横桥向1.8 m,纵桥向2.4 m,立柱底端内侧增加1.2 m 的倒角;墩帽横桥向宽5.7 m,纵桥向与立柱同宽。横向共四条线路,下部横梁上布置两条主线,上部横梁上左右各布置一条出入段线。活载为采用地铁A 型车,车辆满载荷载按轴重160 kN。
相对于常规桥墩,弹弓型墩的上层桥墩为开口结构,变形较大,铁路桥梁对结构刚度要求高,需要对桥墩的刚度及变形引起的主梁相对转角进行控制;桥墩构件交点较多,应力集中点较多,需要进行实体分析判断局部应力是否超限;下盖梁同时承受下层主梁荷载和上层桥墩、主梁荷载,受力复杂,需重点计算分析,加强构造设计。
为了增大桥墩刚度,在净空受限、上部不能做系梁的情况下,在上墩柱下部增设倒角,增加上墩柱与下盖梁的连接,从而增加整墩刚度。纵向线刚度计算详见表1。
表1 纵向线刚度计算结果
满足最小限值360 kN/cm 的限值。
由于此桥墩上部为开口结构,相对比较柔弱,不仅要对纵向线刚度进行控制,对相邻桥墩的联动位移刚度也要控制,考虑三种相对位移最大的活载布置情况,计算相邻桥墩的联动位移[4],从而得出相对转角(见表2)。
表2 横向刚度计算结果
最大相对转角为0.35‰,满足规范要求。
由于桥墩构造复杂,杆系单元不能完全体现细部受力特征,故需建立整墩实体模型进行分析,并按实际荷载情况进行加载,重点关注下部墩柱与下部横梁交接处、下部横梁与上部墩柱交接处及上部墩柱与上部盖梁交接处的应力。
主力组合作用下桥墩主要交接点处的正应力和主应力结果如图2~图5 所示。
图2 立柱与横梁交接处主拉应力图(单位:MP a)
图3 墩柱与横梁交接处主拉应力图(单位:MP a)
图4 立柱与横梁交接处主压应力图(单位:MP a)
图5 墩柱与横梁交接处主压应力图(单位:MP a)
主力组合工况下,横向正应力最大值出现在立柱与盖梁交接处,可达到-8 MPa,立柱与墩柱出现拉应力,最大为1.4 MPa。纵向正应力比较小,大部分区域应力值在-0.9~1.2 MPa。竖向正应力在大部分区域为负值,盖梁中部以及端部出现拉应力。大部分区域主拉应力值在-1.1~1.9 MPa,盖梁端部主拉应力超过3 MPa。最大的主压应力有-10.6 MPa,出现在盖梁端部。
主力+ 附加力组合作用下桥墩主要交接点处的正应力和主应力结果如图6~图9 所示。
图6 立柱与横梁交接处主拉应力图(单位:MP a)
图7 墩柱与横梁交接处主拉应力图(单位:MP a)
图8 立柱与横梁交接处主压应力图(单位:MP a)
图9 墩柱与横梁交接处主压应力图(单位:MP a)
主力+ 附加力组合工况下,横向正应力最大值出现在立柱与盖梁交接处,可达到-9.8 MPa,立柱与墩柱出现拉应力,最大为1.6 MPa。纵向正应力比较小,大部分区域应力值在-3.1~1.4 MPa。竖向正应力在大部分区域为负值,盖梁中部以及端部出现拉应力,可达到1.8 MPa。大部分区域主拉应力值在-0.9~2.8 MPa,盖梁端部主拉应力超过3 MPa。最大的主压应力有-12.1 MPa,出现在盖梁端部。
通过实体分析可知,盖梁端部主拉应力较大,故在盖梁端部增加斜向加强筋,与上下层主筋焊接在一起,如图10 所示。
图10 下层盖梁端部加强斜筋
本文选取地铁高架区间弹弓型墩进行设计,对上下墩柱、上下盖梁进行设计分析,并对整墩进行实体分析,结论如下:
(1)桥墩上部为开口结构,不仅要关注单墩纵向线刚度,还要关注相邻桥墩之间的由于相对位移产生的转角。在上部净空受限无法做系梁的情况下,在上墩柱下部增设倒角,增加上下部结构的连接是有效的。
(2)上墩柱与下盖梁之间的钢筋需相互交叠,并满足锚固长度,以形成完整的受力体系。
(3)由实体分析可得出,局部倒角及盖梁端部存在应力集中,需针对性地加强普通钢筋配置,防止产生裂缝。