楊 林,饒浩淼
(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610;2.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060)
隨著城市的快速發(fā)展,土地資源日趨緊張,同時(shí)為了避開城市地下復(fù)雜的管線及現(xiàn)有構(gòu)筑物,城市立交、高架橋的下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了很多異型橋墩,主要包括Y 型墩、V 型墩、X 型墩[1-3]和彈弓型墩。
(1)Y 型墩是獨(dú)柱墩的一種,其底面采用圓端形或矩形截面形式,上部柱墩采用分叉的Y 形式。Y型墩占用橋下空間小,受力性能良好,抗傾覆能力好。Y 型墩運(yùn)用在渝遂高速公路黃木溝高架橋。
(2)V 型墩是指下部由基礎(chǔ)頂面直接分叉的橋墩, 根據(jù)分叉方向分為橫向V 型墩和縱向V 型墩,橫向V 型墩和Y 型墩類似,縱向V 型墩常與主梁固結(jié),應(yīng)用在很多連續(xù)剛構(gòu)橋梁中。
(3)X 型墩是指底部與上部分叉,在中間相交的橋墩形式,常用在跨河橋,橋下的空間小,有助于水流的通行,其受力特性和Y 型墩相似,運(yùn)用在較多橋梁上。
(4)彈弓型墩是指在Y 型墩蓋梁上設(shè)置上層墩柱及蓋梁,支撐上層橋梁,橋墩整體外形呈彈弓形,在不增加占地的情況下解決立交橋梁的支撐問題。深圳地鐵6號(hào)線出入段線段部分橋墩采用了彈弓型墩。
本文選取比較典型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈弓型墩進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。
橋墩由下部墩柱、下部蓋梁、上部墩柱和上部蓋梁組成。墩柱、蓋梁及支承墊石均采用C50 混凝土,橋墩構(gòu)造如圖1 所示。
圖1 橋墩構(gòu)造圖(單位:mm)
墩柱采用圓端形矩形截面,橫橋向4.0 m,縱橋向2.8 m;蓋梁采用變高度矩形截面,寬3.0 m,高2.5~3.4 m;立柱采用矩形截面,橫橋向1.8 m,縱橋向2.4 m,立柱底端內(nèi)側(cè)增加1.2 m 的倒角;墩帽橫橋向?qū)?.7 m,縱橋向與立柱同寬。橫向共四條線路,下部橫梁上布置兩條主線,上部橫梁上左右各布置一條出入段線。活載為采用地鐵A 型車,車輛滿載荷載按軸重160 kN。
相對(duì)于常規(guī)橋墩,彈弓型墩的上層橋墩為開口結(jié)構(gòu),變形較大,鐵路橋梁對(duì)結(jié)構(gòu)剛度要求高,需要對(duì)橋墩的剛度及變形引起的主梁相對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制;橋墩構(gòu)件交點(diǎn)較多,應(yīng)力集中點(diǎn)較多,需要進(jìn)行實(shí)體分析判斷局部應(yīng)力是否超限;下蓋梁同時(shí)承受下層主梁荷載和上層橋墩、主梁荷載,受力復(fù)雜,需重點(diǎn)計(jì)算分析,加強(qiáng)構(gòu)造設(shè)計(jì)。
為了增大橋墩剛度,在凈空受限、上部不能做系梁的情況下,在上墩柱下部增設(shè)倒角,增加上墩柱與下蓋梁的連接,從而增加整墩剛度??v向線剛度計(jì)算詳見表1。
表1 縱向線剛度計(jì)算結(jié)果
滿足最小限值360 kN/cm 的限值。
由于此橋墩上部為開口結(jié)構(gòu),相對(duì)比較柔弱,不僅要對(duì)縱向線剛度進(jìn)行控制,對(duì)相鄰橋墩的聯(lián)動(dòng)位移剛度也要控制,考慮三種相對(duì)位移最大的活載布置情況,計(jì)算相鄰橋墩的聯(lián)動(dòng)位移[4],從而得出相對(duì)轉(zhuǎn)角(見表2)。
表2 橫向剛度計(jì)算結(jié)果
最大相對(duì)轉(zhuǎn)角為0.35‰,滿足規(guī)范要求。
由于橋墩構(gòu)造復(fù)雜,桿系單元不能完全體現(xiàn)細(xì)部受力特征,故需建立整墩實(shí)體模型進(jìn)行分析,并按實(shí)際荷載情況進(jìn)行加載,重點(diǎn)關(guān)注下部墩柱與下部橫梁交接處、下部橫梁與上部墩柱交接處及上部墩柱與上部蓋梁交接處的應(yīng)力。
主力組合作用下橋墩主要交接點(diǎn)處的正應(yīng)力和主應(yīng)力結(jié)果如圖2~圖5 所示。
圖2 立柱與橫梁交接處主拉應(yīng)力圖(單位:MP a)
圖3 墩柱與橫梁交接處主拉應(yīng)力圖(單位:MP a)
圖4 立柱與橫梁交接處主壓應(yīng)力圖(單位:MP a)
圖5 墩柱與橫梁交接處主壓應(yīng)力圖(單位:MP a)
主力組合工況下,橫向正應(yīng)力最大值出現(xiàn)在立柱與蓋梁交接處,可達(dá)到-8 MPa,立柱與墩柱出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大為1.4 MPa。縱向正應(yīng)力比較小,大部分區(qū)域應(yīng)力值在-0.9~1.2 MPa。豎向正應(yīng)力在大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)值,蓋梁中部以及端部出現(xiàn)拉應(yīng)力。大部分區(qū)域主拉應(yīng)力值在-1.1~1.9 MPa,蓋梁端部主拉應(yīng)力超過(guò)3 MPa。最大的主壓應(yīng)力有-10.6 MPa,出現(xiàn)在蓋梁端部。
主力+ 附加力組合作用下橋墩主要交接點(diǎn)處的正應(yīng)力和主應(yīng)力結(jié)果如圖6~圖9 所示。
圖6 立柱與橫梁交接處主拉應(yīng)力圖(單位:MP a)
圖7 墩柱與橫梁交接處主拉應(yīng)力圖(單位:MP a)
圖8 立柱與橫梁交接處主壓應(yīng)力圖(單位:MP a)
圖9 墩柱與橫梁交接處主壓應(yīng)力圖(單位:MP a)
主力+ 附加力組合工況下,橫向正應(yīng)力最大值出現(xiàn)在立柱與蓋梁交接處,可達(dá)到-9.8 MPa,立柱與墩柱出現(xiàn)拉應(yīng)力,最大為1.6 MPa??v向正應(yīng)力比較小,大部分區(qū)域應(yīng)力值在-3.1~1.4 MPa。豎向正應(yīng)力在大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)值,蓋梁中部以及端部出現(xiàn)拉應(yīng)力,可達(dá)到1.8 MPa。大部分區(qū)域主拉應(yīng)力值在-0.9~2.8 MPa,蓋梁端部主拉應(yīng)力超過(guò)3 MPa。最大的主壓應(yīng)力有-12.1 MPa,出現(xiàn)在蓋梁端部。
通過(guò)實(shí)體分析可知,蓋梁端部主拉應(yīng)力較大,故在蓋梁端部增加斜向加強(qiáng)筋,與上下層主筋焊接在一起,如圖10 所示。
圖10 下層蓋梁端部加強(qiáng)斜筋
本文選取地鐵高架區(qū)間彈弓型墩進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)上下墩柱、上下蓋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,并對(duì)整墩進(jìn)行實(shí)體分析,結(jié)論如下:
(1)橋墩上部為開口結(jié)構(gòu),不僅要關(guān)注單墩縱向線剛度,還要關(guān)注相鄰橋墩之間的由于相對(duì)位移產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角。在上部?jī)艨帐芟逕o(wú)法做系梁的情況下,在上墩柱下部增設(shè)倒角,增加上下部結(jié)構(gòu)的連接是有效的。
(2)上墩柱與下蓋梁之間的鋼筋需相互交疊,并滿足錨固長(zhǎng)度,以形成完整的受力體系。
(3)由實(shí)體分析可得出,局部倒角及蓋梁端部存在應(yīng)力集中,需針對(duì)性地加強(qiáng)普通鋼筋配置,防止產(chǎn)生裂縫。