肖澤榮

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350000)

0 引言

城市互通立交橋的橋墩通常采用花瓶墩、板式墩、獨(dú)柱墩和門架墩等形式。有些立交橋由于受到橋下用地緊張和地面交通組織等限制因素的影響，可采用大懸臂獨(dú)柱墩的結(jié)構(gòu)形式[1-3]。本文將從福州市尤溪洲北橋頭互通立交改造工程中的大懸臂獨(dú)柱墩提出背景、設(shè)計思路及應(yīng)用幾個方面進(jìn)行較為深入的闡述，供廣大同仁參考借鑒。

1 工程背景

福州市尤溪洲北橋頭互通立交是福州市二環(huán)路跨越江濱西大道的一個互通立交，現(xiàn)狀立交為部分互通式立交，僅設(shè)置兩個右轉(zhuǎn)匝道與江濱西大道相連，存在轉(zhuǎn)向交通不暢等問題。本次改造通過增設(shè)3條匝道來改善現(xiàn)狀立交的轉(zhuǎn)向交通問題。其中新建A匝道與現(xiàn)狀匝道拼接點位于江濱西大道上方，如圖1所示。

圖1 A匝道與現(xiàn)狀匝道拼接位置圖

A19墩位于新舊匝道相接位置，若采用花瓶墩、板式墩或一般獨(dú)柱墩，都將占用地面2個車道。若采用門架墩，則會影響江濱西大道的景觀。因此，本文作者提出采用單邊大懸臂獨(dú)柱墩作為A19墩的墩型，將橋墩布置于靠現(xiàn)狀道路邊線，蓋梁采用單邊懸臂。該方案在其匝道正下方布置一個地面機(jī)動車道，且墩柱位于車行道外側(cè)，不僅解決地面交通組織，同時又滿足了城市景觀的要求。

2 單邊大懸臂獨(dú)柱橋墩設(shè)計

2.1 構(gòu)造尺寸

墩身采用2m×2.5m的方形截面，蓋梁單邊大懸臂長度為4.15m，兩個支座中心線距懸臂固定端的距離分別為0.85m和3.35m，蓋梁下緣與墩身之間采用半徑為1m圓弧過渡。其基本構(gòu)造如圖2所示。

(a)立面圖 (b)側(cè)面圖

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束布置

為克服偏心造成墩身截面產(chǎn)生較大的彎矩，設(shè)置了縱向和橫向預(yù)應(yīng)力鋼束加強(qiáng)橋墩截面強(qiáng)度。豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用國際標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑15.24mm，張拉強(qiáng)度為1860MPa。橫橋向設(shè)置成兩排，每排4束，貫穿墩身并錨固在承臺中。橫向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置在蓋梁中，共5束，主要抵抗外部作用對蓋梁產(chǎn)生的彎矩以及剪力，預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)建模與計算參數(shù)取值

采用橋梁博士建立的A19橋墩計算模型，如圖4所示。由于現(xiàn)場地質(zhì)條件較好，且承臺剛度比墩身剛度大得多，按剛性地基假定，將墩身底與承臺連接視為固結(jié)，進(jìn)行有限元分析。

圖3預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖(單位：cm)

圖4 橋墩計算模型

3.1 施工階段驗算

在懸臂墩施工過程中，為防止控制截面在施工過程中出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力，該設(shè)計對施工全過程進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，對鋼束張拉、鋼箱梁吊裝和現(xiàn)澆箱梁等過程進(jìn)行分階段細(xì)化，具體施工工序如圖5所示。

圖5 施工工序

鋼絞線張拉控制應(yīng)力值σcon=0.7fpk=1302MPa。表1為施工階段懸臂端與墩身混凝土的最大、最小正應(yīng)力。由表1可見，施工階段混凝土應(yīng)力均滿足要求[4-6]。

表1 A19橋墩施工階段混凝土應(yīng)力表 MPa

注：負(fù)號表示拉應(yīng)力

3.2 正常使用極限狀態(tài)驗算

3.2.1抗裂驗算

(1)頻遇組合

圖6與圖7分別為頻遇組合下截面上下緣的正應(yīng)力及截面的主拉應(yīng)力。

由圖6可以看出，頻遇組合下，A19橋墩上緣最小正應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂根部，為0.32MPa；下緣最小正應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂端部，為0.9MPa，均在允許值(-1.85MPa)內(nèi)。

由圖7可以看出，頻遇組合下，A19墩的主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左側(cè)支座處，為-0.9MPa，在允許值(-1.33MPa)內(nèi)。

圖6 截面上下緣正應(yīng)力(MPa) 圖7 截面主拉應(yīng)力(MPa)

(2)準(zhǔn)永久組合

圖8為準(zhǔn)永久組合下A19橋墩各截面上下緣的正應(yīng)力。

由圖8可以看出，準(zhǔn)永久組合下，A19橋墩上緣最小正應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂根部，為0.32MPa；下緣最小正應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂端部，為0.17MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

由上述計算結(jié)果可知，A19墩在頻遇組合及準(zhǔn)永久組合下的抗裂驗算滿足要求[4-6]。

3.2.2標(biāo)準(zhǔn)組合下應(yīng)力驗算

(1)混凝土壓應(yīng)力

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)第7.1條規(guī)定，持久狀況預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)力計算時，其應(yīng)力值取標(biāo)準(zhǔn)組合值。圖9為標(biāo)準(zhǔn)組合下縱梁截面上下緣的最大正應(yīng)力。

圖8 準(zhǔn)永久組合下正應(yīng)力圖(MPa) 圖9 持久狀況下主應(yīng)力圖(MPa)

由圖9可以看出，A19橋墩懸臂梁部分最大正應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)支座位置，為6.04MPa，在允許值(19.4MPa)內(nèi)。因此，A19墩在持久狀況下混凝土應(yīng)力滿足要求[4-6]。

(2)預(yù)應(yīng)力鋼束

由表2可知，A19墩在持久狀況下預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力滿足要求。

表2 持久狀況預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力匯總表 MPa

3.3 承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗算

3.3.1正截面抗壓承載力驗算

圖10與圖11分別為基本組合下A19橋墩彎矩包絡(luò)圖與軸力包絡(luò)圖。

圖10 彎矩包絡(luò)圖(kN·m) 圖11 軸力包絡(luò)圖(kN)

由圖10和圖11可以看出，承載能力極限狀態(tài)下A19橋墩的正截面抗壓承載力滿足要求[4-6]。

3.3.2斜截面抗剪強(qiáng)度驗算

斜截面抗剪強(qiáng)度驗算取用的荷載效應(yīng)為基本組合效應(yīng)值，按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)第5.2.9條驗算截面尺寸，按照第5.2.7～5.2.8條驗算斜截面抗剪承載力。主梁最大剪力及抗力如表3所示。

表3 A19橋墩最大剪力及抗力表 kN

由表3可見，懸臂梁斜截面抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求[4-6]。

4 單邊大懸臂獨(dú)柱橋墩的特點

(1)可將橋墩布置于影響地面交通小的一側(cè)，以提高橋下空間的利用率，同時可以有效避開地下難以遷改管線，縮短施工工期。

(2)墩身屬于大偏心受壓構(gòu)件，通過施加豎向預(yù)應(yīng)力，來抵抗較大彎矩。懸臂梁屬于受彎構(gòu)件，上側(cè)通過施加橫向預(yù)應(yīng)力，來抵抗較大拉應(yīng)力。

(3)獨(dú)柱支承體系，結(jié)構(gòu)承受著“彎、扭、剪”的復(fù)雜共同作用，懸臂端同時承受縱、橫雙向彎矩作用，受力極其復(fù)雜，易產(chǎn)生較大的橫向彎矩。

5 結(jié)語

單邊大懸臂獨(dú)柱墩在福州市區(qū)第一次應(yīng)用，該設(shè)計中仍存在許多不足，例如預(yù)應(yīng)力鋼束張拉次數(shù)較多、墩身尺寸過大等情況，需要今后不斷去優(yōu)化。但從設(shè)計及施工應(yīng)用效果來看，其不僅少占用江濱路現(xiàn)有車道，保證了江濱路足夠的車行道寬度。同時，也與江濱路下穿通道在空間上的協(xié)調(diào)，保證了江濱路視野的通透，達(dá)到滿足城市景觀的要求。因此，該類墩型方案不僅在技術(shù)上安全可行，而且在交通和景觀方面均滿足要求，值得廣大橋梁設(shè)計者參考并推廣。

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