文/楊麗麗、管敬

1 前言

在公路橋梁建設(shè)領(lǐng)域中，高立柱框架墩設(shè)計水平的高低會直接影響整體橋梁的安全性及穩(wěn)定性，所以在具體設(shè)計環(huán)節(jié)需要相關(guān)單位結(jié)合實際情況將科學的設(shè)計方案構(gòu)建出來，并細化設(shè)計要點，進而保證各方面的設(shè)計參數(shù)滿足實際需要。

2 工程概述

某公路橋梁是當?shù)刂匾慕煌屑~，為高速T 型交叉的形式，其主要作用就是讓當?shù)氐母咚俟泛蜆蛄悍€(wěn)定連接，實現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換，保證當?shù)亟煌ㄟ\行正?；Ｔ摌屑~主線橋跨當?shù)氐暮恿髋c河流的交叉角度比較小，根據(jù)防洪技術(shù)標準，該橋梁項目需要設(shè)置到主河槽之間內(nèi)，應(yīng)該達到橋梁橋墩在主河槽斷面投影參數(shù)以及防洪標準要求，確保阻水比在20%以內(nèi)，滿足正常運行的標準[1]。

3 框架墩設(shè)計

該樞紐的橋墩跨越河流，其河道寬度為30m，根據(jù)技術(shù)標準要求進行橋孔設(shè)置，左右兩幅需要進行橋墩的設(shè)置工作，橋墩蓋梁長度通常來說相對較小，工程建設(shè)規(guī)?？s小，但是有4 個橋墩設(shè)置到河道內(nèi)部，其投影在主河道斷面寬度為12m，阻水比經(jīng)過計算分析為40%，并不能達到防洪的技術(shù)標準。為了能夠達到防洪的標準和要求，該方案設(shè)計中以10 號墩作為基準點，兩個邊墩全部都安裝到河道的外部[2]。

4 計算模型

按照本次橋梁的應(yīng)用需要，了解上部荷載參數(shù)，根據(jù)需要綜合分析三柱跨度尺寸，本次工程中將從10 號墩展開計算分析，主要從蓋梁、墩身承載性能、應(yīng)力、裂縫等方面出發(fā)展開分析。就目前來說，橋墩應(yīng)用有限元軟件MidasCivil2020 計算分析，根據(jù)橋墩的實際情況創(chuàng)建有限元模型，然后建立總體靜力分析模型，了解受力條件，提高運行質(zhì)量和效果[3]。

4.1 設(shè)計參數(shù)取值

根據(jù)設(shè)計方案的要求，蓋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用C50 混凝土制作，墩身應(yīng)用C40 混凝土制作，承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的制作材料是C30 混凝土，按照要求選擇科學合理的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其彈性模量為1.95×105MPa，容重78kN/m3。上部荷載的主要承載結(jié)構(gòu)部分是14 片T 梁支點反力結(jié)構(gòu)，混凝土徐變按照國家標準規(guī)范選取，綜合分析C50混凝土制作形成的主體結(jié)構(gòu)在運營10年后發(fā)生的收縮徐變反應(yīng)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降根據(jù)-5mm 計算分析。該項目中，汽車火災(zāi)按照公路-Ⅰ級設(shè)計，體系升溫25T，體系降溫-25Ⅰ，滿足正常運行的要求[4]。

4.2 框架墩蓋梁驗算結(jié)果

蓋梁結(jié)構(gòu)的作用是非常明顯的，主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計為A 類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計為一級安全標準，以達到運行質(zhì)量標準。在正常的運行中，蓋梁處于恒載的運行條件下，其上緣結(jié)構(gòu)受到的最大壓應(yīng)力為-9.8MPa，受力部位是中墩墩頂位置；下緣結(jié)構(gòu)受到的最大拉應(yīng)力是-9MPa，受力部位處于第二跨的位置上。蓋梁受到車道荷載的作用和影響，其主梁上緣的最大壓應(yīng)力可以達到-1.5MPa，受力部位處于中墩墩頂?shù)牟课簧?；主梁下緣所受到的最大壓?yīng)力為-1.8MPa，受力部位處于第二跨的跨中位置上。上述各項數(shù)據(jù)全部都小于-16.2MPa，說明結(jié)構(gòu)性能可以達到工程標準。蓋梁截面受到的抗彎承載的最大參數(shù)為116400kN.m，比結(jié)構(gòu)的抗彎最大承載力173151kN.m 要小，主要是處在第二跨的跨中部位上。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，蓋梁的加密區(qū)范圍內(nèi)所設(shè)置的箍筋密度比較大，受力面積完全滿足要求?？傊?，該橋梁項目的墩蓋量結(jié)構(gòu)的各個方面受力條件都符合要求，不會影響總體的運行效果和質(zhì)量。

5 框架墩墩身驗算結(jié)果

5.1 承載力計算結(jié)果

橋墩結(jié)構(gòu)的制作材料為C40 混凝土，主筋為HRB400 鋼筋，直徑尺寸設(shè)定為28mm，采取雙排布置的方式進行現(xiàn)場設(shè)置。橋墩縱彎長度尺寸的計算一般都要選擇實際長度的兩倍進行制作，且橫彎的長度也應(yīng)該為實際長度的兩倍，以滿足運行標準。另外，承載力參數(shù)的計算，一般不會作為腹板側(cè)鋼筋的應(yīng)用。該模型設(shè)計中，應(yīng)該在具體橋梁的左墩、中墩、右墩的各個結(jié)構(gòu)上進行，分別在墩頂、墩底的部位上選擇6 個截面的位置，檢查上下組合內(nèi)力條件。經(jīng)過數(shù)據(jù)總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，10 號墩橫向、縱向各項受力都要比承載壓力小，偏壓破壞的形式比較明顯，安全系數(shù)達到1.55、1.45，所以計算確定主墩承載性能符合工程的要求。

5.2 裂縫驗算結(jié)果

在該模型計算中，在左墩、中墩、右墩的各個部位上選擇墩頂、墩底的部位6 個截面位置，做好縱、橫方向上內(nèi)力的計算和分析，發(fā)現(xiàn)橫向偏壓影響下都能夠達到運行要求。

6 設(shè)計要點

6.1 確定結(jié)構(gòu)形式和尺寸

框架墩設(shè)計的過程中，首先應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)尺寸選擇確定。結(jié)構(gòu)形式設(shè)計環(huán)節(jié)，要從橋梁跨度尺寸、高度、橋墩抗側(cè)力等方面明確結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合橋墩設(shè)計標準和規(guī)范，考慮到結(jié)構(gòu)受力的條件，選擇合適的建筑高度尺寸，明確結(jié)構(gòu)凈空、橫梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計等條件，保證剛度性能合格。如果各項尺寸的匹配度不足，內(nèi)力超出規(guī)定標準，則容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形比較嚴重、節(jié)點應(yīng)力超標，進而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞問題，給整體安全性帶來不利影響。

6.2 框架墩基礎(chǔ)形式的選擇

框架結(jié)構(gòu)形式明確后，工作人員還要根據(jù)系統(tǒng)運行要求確定最佳的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。淺基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍是最大的，因此在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計過程中，還要綜合分析地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)形式等要素。如果使用樁基礎(chǔ)的形式，橋墩超靜定結(jié)構(gòu)特點以及橫梁剛度大，則沉降敏感性強，因此應(yīng)該使用支撐樁或者嵌巖樁的形式。

6.3 框架墩上部結(jié)構(gòu)豎向作用力點計算分析

框架墩支撐的作用力一般是自重、車輛荷載等，而自重的計算是比較簡單的，但是汽車荷載的計算難度較高，甚至是難以控制的。在縱向計算過程中，應(yīng)該結(jié)合影響線的形狀確定最不利的荷載位置數(shù)據(jù)，然后綜合性分析汽車沖擊力的作用，同時橫向荷載也不能忽視。不同結(jié)構(gòu)形式的計算方法存在一定差異，簡支梁結(jié)構(gòu)應(yīng)該根據(jù)汽車橫向位置通過杠桿法的方式計算分析，而連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)需要通過空間梁格有限元的方法進行計算。

6.4 框架墩上部結(jié)構(gòu)縱向作用力計算

公路橋墩上部傳輸下來的作用力包含溫度應(yīng)力、汽車制動力、預(yù)應(yīng)力混凝土徐變、上部結(jié)構(gòu)張拉預(yù)應(yīng)力等。對于這些力的計算，可以先計算橋墩抗推剛度，然后結(jié)合各個墩體結(jié)構(gòu)的剛度性能確定縱向力的數(shù)據(jù)。在汽車制動力分配計算過程中綜合分析橋梁框架相對剛度參數(shù)，另外抗推剛度計算時還要綜合分析基礎(chǔ)與支座串聯(lián)方面的影響。

6.5 布置預(yù)應(yīng)力鋼束

由于蓋梁與荷載存在不對稱的情況，則各個界面應(yīng)該設(shè)置差異性的鋼束結(jié)構(gòu)，但整個長度都設(shè)置，則會造成資源浪費；如果將鋼束截斷，就無法準確設(shè)置錨固點，所以將鋼束設(shè)置在截面中間位置可以達到運行的要求。鋼束設(shè)置環(huán)節(jié)，為了滿足蓋梁截面剪力較大的情況，一般來說抗彎位置應(yīng)該設(shè)置在剪力較大的位置。為了防止鋼束在橫向位置上形成較大側(cè)彎，設(shè)置階段應(yīng)該達到對稱性的要求。

6.6 布置普通鋼筋

普通鋼筋結(jié)構(gòu)的作用就是抗拉、抗彎、抗扭、抗剪等，框架墩蓋梁中需要布置較多的鋼筋，不僅要符合構(gòu)造性能的要求，還要讓配筋率達到最小的狀態(tài)。從實際情況分析，鋼筋直徑不能小于20mm，鋼筋的密集度符合要求，這樣可以保證結(jié)構(gòu)的抗裂性能和效果合格，且能夠增大結(jié)構(gòu)延性，讓蓋梁和墩柱的連接達到穩(wěn)定性標準。因為地震發(fā)生之后，墩柱與蓋梁連接部位容易發(fā)生損壞，所以施工人員應(yīng)該在節(jié)點部位適當增大鋼筋設(shè)置密度，以滿足結(jié)構(gòu)性能要求。

6.7 模擬約束剛度的確定

對于已經(jīng)建設(shè)完畢的工程結(jié)構(gòu)，檢測剛度性能之后，通常來說其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的實際測量剛度是計算剛度的1.1～1.2 倍之間。對于橋梁大跨度的尺寸來說，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)約束有著較高的敏感性，在模擬約束計算的過程中，工作人員應(yīng)該選擇合適的參數(shù)值，如果模擬約束值比實際參數(shù)要小，則會造成立柱和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不能達到安全性要求情況，而增大橫梁的方式又容易導(dǎo)致設(shè)計難度升高；如果模擬約束值超過實際約束力，則會造成立柱和基礎(chǔ)設(shè)計難度升高，橫梁設(shè)計安全性無法滿足要求。因此，在基礎(chǔ)剛度模擬設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)和實際剛度相差較小，保證基礎(chǔ)和立柱結(jié)構(gòu)的總體性能滿足要求，達到運行標準。

6.8 框架墩的設(shè)計方法

在設(shè)計環(huán)節(jié)，框架墩嚴格按照工程的實際情況明確跨度尺寸，然后結(jié)合實際經(jīng)驗設(shè)置和分析框架墩斷面尺寸、結(jié)構(gòu)形式，并通過有限元分析明確工程模型。在分析各項問題之后，綜合考慮到各個框架墩的斷面尺寸是否能夠達到技術(shù)標準，如果不能達到要求，則應(yīng)該及時進行模型分析和重復(fù)計算，直到最終達到標準為止。

7 結(jié)語

綜上所述，在高立柱框架墩設(shè)計環(huán)節(jié)，要考慮的設(shè)計參數(shù)非常多。因此，為了達到高立柱框架墩設(shè)計安全性以及穩(wěn)定性要求，就需要在了解設(shè)計標準、規(guī)范的基礎(chǔ)上明確設(shè)計方法，并做好設(shè)計前期的考察工作，從而達到設(shè)計需求。