鄭紀研，單宏偉，曹偉星，胡　洋

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210005）

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩受力分析

鄭紀研，單宏偉，曹偉星，胡洋

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210005）

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩是常用的橋梁下部結(jié)構(gòu)形式，文章分析了該類結(jié)構(gòu)的受力特性，重點對群樁基礎(chǔ)的幾種建模方法進行了對比分析。并結(jié)合工程實際，總結(jié)了考慮群樁基礎(chǔ)與框架結(jié)構(gòu)共同工作的計算模型，提出了改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的施工措施，計算方法及施工措施可供類似工程參考。

框架墩；群樁基礎(chǔ)；預(yù)應(yīng)力混凝土受力分析；計算模型；施工措施

1 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩受力特性

1.1 空間受力體系

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩與普通橋墩相比在構(gòu)造與計算上有其特殊性，在承受順橋向荷載的同時，須承受自身平面內(nèi)的荷載效應(yīng)，因此，對于框架墩須采用空間計算模型進行分析。

1.2 框架整體剛度分配對框架墩受力的影響

框架墩墩梁連接構(gòu)造分別有墩梁固結(jié)及墩梁鉸接，對于墩梁固結(jié)情況，蓋梁與墩柱的相對剛度對整體荷載分配影響較大，橋墩剛度較大，則蓋梁所受彎矩較小，反之橋墩剛度較小則蓋梁所受彎矩較大。根據(jù)參考文獻［4］，橫梁和墩柱的剛度比一般為1∶1～3∶1。

1.3 溫度荷載對框架墩受力的影響

大跨度框架墩所承受各分項荷載效應(yīng)中溫度荷載效應(yīng)所占比重較大，設(shè)計時應(yīng)特別關(guān)注。

框架墩跨徑、框架墩立柱尺寸對溫度荷載影響較大，設(shè)計時應(yīng)盡量減小框架墩跨徑、減小立柱橫向尺寸來減小溫度荷載效應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)。

1.4 基礎(chǔ)剛度對框架墩受力的影響

樁基剛度的模擬對框架墩設(shè)計至關(guān)重要，樁基剛度模擬過大，會導(dǎo)致墩柱驗算難以通過，蓋梁設(shè)計偏于不安全，反之，樁基剛度模擬過小，會導(dǎo)致蓋梁驗算難以通過，墩柱設(shè)計偏于不安全。參考文獻［2］～［4］對于此問題已給予詳細闡述，本文就樁基剛度的常用模擬方法的優(yōu)缺點做進一步深入討論。

2 常用樁基模擬方法對比分析

常規(guī)樁基剛度模擬方法主要有以下幾種［5］：

（1）群樁原始模型，建立實際樁基單元，樁側(cè)及樁底約束采用土彈簧，土彈簧剛度按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《地基規(guī)范》）（JTG D63—2007）中的m法計算。

（2）樁基等代模型，又分為等代雙柱和等代單柱模型。

（3）含耦合項的群樁基礎(chǔ)支撐剛度矩陣。

2.1 樁基剛度模擬差異

以上3種方法均以m法為基礎(chǔ)進行樁基剛度模擬，第2種是根據(jù)第3種剛度矩陣的一種等代，這兩種方法模擬的剛度完全一致。

在實際設(shè)計中，根據(jù)《地基規(guī)范》，地基比例系數(shù)m由在局部沖刷線以下?lián)Q算深度為hm=2×（d+1）（d為樁徑）范圍內(nèi)的土層特性確定，作為土層對樁的總體等效的m值，不能真正反映樁土彈性作用機理。因此，m法應(yīng)用于非均勻土體，理論上必然存在誤差，并與土層變形模量的空間分布相關(guān)，筆者認為采用土彈簧模擬方法更接近實際情況。

2.2 對樁基結(jié)構(gòu)自身徐變效應(yīng)的考慮

下部樁基的徐變對框架結(jié)構(gòu)本身受力會產(chǎn)生比較大的影響，模擬與否對墩柱的影響不容忽視。第1種方法能夠考慮下部徐變對框架的影響；第2種方法僅為剛度的等代；第3種為剛度矩陣，都不能實現(xiàn)對下部樁基徐變的考慮。

2.3 模擬方法的適用性

第1種方法為空間模型，適用于空間受力分析，但建模復(fù)雜，前期數(shù)據(jù)準備多，單元數(shù)量多，計算速度慢，模型修改不便，對于能簡化為平面受力體系的結(jié)構(gòu)而言，常不被采用。

第2種等代模擬方法為平面內(nèi)剛度的模擬，僅適用于平面桿系模型；多為不能實現(xiàn)第3種方法的計算軟件所采用，如QJX，其剛度矩陣不能考慮彎剪剛度的影響。

第3種為空間剛度的模擬，適用于平面（3×3剛度矩陣）及空間（6×6剛度矩陣）模型計算。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某雙幅簡支鋼桁架梁橋，主墩跨徑120 m，主橋上部跨越通航水域，下部水中墩采用三柱門架型橋墩（見圖1）。橋墩蓋梁高2.5 m，寬3.6 m，按部分A類構(gòu)件設(shè)計，其材料采用C50混凝土。橋墩邊柱考慮船撞采用直徑為3 m的圓形墩柱，中柱采用長圓端型截面，寬3 m，長5 m，墩柱間距24.2 m，墩柱材料采用C40混凝土。橋墩基礎(chǔ)采用直徑1.5 m鉆孔灌注樁群樁，其中邊柱采用5根樁基、中柱采用9根樁基，樁基采用C30水下混凝土。

圖1 鋼桁架梁橋結(jié)構(gòu)圖

3.2 內(nèi)力分析

框架墩平面內(nèi)受力及各單項荷載效應(yīng)對比見表1、表2。

表1 邊墩柱頂彎矩 kN·m

表2 邊墩柱底彎矩 kN·m

從表1、表2可以看出，框架平面內(nèi)荷載效應(yīng)較大，其中溫度荷載效應(yīng)所占比重最大，約為45%～67%。考慮此類結(jié)構(gòu)對溫度效應(yīng)較敏感，設(shè)計時應(yīng)從構(gòu)造尺寸出發(fā)減小溫度荷載效應(yīng)。

樁基徐變荷載效應(yīng)對整體受力影響大，采用土彈簧方法進行模擬，在不考慮樁基徐變影響下和采用支撐剛度矩陣模擬方法計算結(jié)果吻合較好，因此考慮樁基本身徐變影響是十分必要的。

4 改善大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩受力狀態(tài)的施工措施

為改善大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩受力狀態(tài)，除了從設(shè)計構(gòu)造本身出發(fā)外，還可通過對框架結(jié)構(gòu)進行預(yù)頂施工調(diào)整結(jié)構(gòu)受力。

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩在施工、運營過程中受蓋梁自重、上部恒、活載支反力、預(yù)應(yīng)力鋼束等因素的影響，邊墩柱柱頂產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)水平位移。后期收縮徐變會進一步加大此變形，造成邊墩的偏位，對邊墩受力不利。為了改善結(jié)構(gòu)受力狀況，在蓋梁施工前對邊墩施加一個向外的水平頂推力，以抵消上述因素引起的邊墩水平位移，減小邊墩柱底彎矩效應(yīng)，改善樁基承臺受力狀況。

精確頂推力大小的確定比較困難，根據(jù)位移反算的頂推力施加于結(jié)構(gòu)后，由于徐變的影響，有效頂推力數(shù)值會慢慢發(fā)生改變，因而不能達到預(yù)期的效果。

為進一步改善結(jié)構(gòu)受力條件，對依托工程進行施工階段預(yù)頂，預(yù)定力120 t，距離墩頂1.2 m，加載示意圖見圖2，施加預(yù)應(yīng)力后邊墩柱底彎矩見表3。

圖2 預(yù)頂力施加示意圖（單位：kN）

由表3可見，施加預(yù)頂后，調(diào)整了邊墩受力狀態(tài)，由于徐變作用，10年后預(yù)頂效應(yīng)剩余約40%。

合理頂推力可通過工程經(jīng)驗估算，借助有限元程序綜合比較施工、運營階段結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)，多次試算獲得，同時設(shè)計應(yīng)補充頂推工況結(jié)構(gòu)受力驗算。

表3 施加預(yù)頂力后邊墩柱底彎矩

5 結(jié)論

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩為空間受力體系，該類結(jié)構(gòu)受溫度荷載影響大，對樁基剛度敏感，本文認為采用建立實際樁基，樁側(cè)建立土彈簧約束的樁基模擬方法，同時考慮下部樁基徐變影響的精細化分析是十分必要的。

受客觀條件的制約，當大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩受力狀態(tài)不合理時，可通過對邊墩施加預(yù)頂力等施工措施來改善結(jié)構(gòu)受力。

［1］JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］余江.高速公路大跨徑框架墩的設(shè)計研究［J］.公路交通科技，2011.

［3］萬明.剛度在框架墩計算中的影響［J］.鐵道勘察，2010.

［4］田萬俊.預(yù)應(yīng)力混凝土框架墩設(shè)計研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2003.

［5］劉志才.群樁基礎(chǔ)支撐剛度的模擬方法［J］.中國市政工程，2013.

［6］李冬.動漫橋框架結(jié)構(gòu)預(yù)頂施工技術(shù)探析［J］. 城市建筑，2012.

Mechanial Analysis on Prestressed Concrete Framework Pier with Long Span

Zheng Jiyan， Shan Hongwei， Cao Weixing， Hu Yang
（Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210005， China）

Large span prestressed concrete framework piers is commonly used in substructure. This paper analyzes the structure characteristics of concrete framework piers and modeling methods for the group pile foundation mainly. Combining with engineering practice， the calculation models that take into account of the group pile foundations working together with frame are proposed. The calculation methods and construction measures are put forward to improve structure stress state， which could be taken as reference to the similar structures.

framework pier； group pile foundation； prestressed concrete； mechanic analysis； calculation mode； construction measures

U443.22

A

1672-9889（2016）01-0042-03

鄭紀研（1981-），男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，主要從事橋梁設(shè)計工作。

2016-01-10）