现浇连续箱梁桥下部结构中的预应力混凝土偏心墩特点分析及承载力计算.pdf

2 0 1 5 年 1 1 月第 1 1期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构7 3 现浇连续箱梁桥下部结构中的预应力混凝土偏心墩 特点分析及承载力计算 姚莉 ( 深 圳高 速工 程顾 问有 限公 司 ， 北京 市 1 0 0 1 0 7 ) 摘要 ： 结合南 方某 沿海城 市快速 路项 目某 匝道 桥下 部结构 中 的预应力 混凝 土偏心 墩设 计过 程 ， 讨论分 析 了该预 应力 混凝 土 偏心墩在以现浇连续箱梁作为上部结构部件时的具体特点，还研究了怎样根据具体特点进行特有结构型式比选并进行承载能 力计算。其成果对于同类型预应力混凝土偏心墩设计工作具有一定的借鉴意义。 关键 词 ： 现浇 连续箱梁 ； 下部结 构 ； 预应 力混凝 土偏心墩 ； 特点 分析 ； 结 构型式 比选 ； 承 载能力计算 中图分 类号 ： U 4 4 3 2 2 文献标 志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 5) 1 1 - 0 0 7 3 0 4 0 引言 近年来 ，我 国沿海经济 发达地区为 了提高交 通运输效率 、 增大疏解能力 、 降低工程征地成本 ， 大量修建了结构简洁的快速路高架桥。由于我国 沿海地区作为经济中心的惯性还将较长时间地存 在着，这会使城市中因工程用地产生的矛盾更加 突出 ，造成城 市工程用地成本 高于结构物造价 的 差距更为加大 ， “ 以空间降成本”的高架桥将在城 市道路工程 中 日益增加 比重 。 今后 随着城市建设管理更加规 范 ，更 加重视 远期规划的实现路径是否畅通 ，城市道路中的高 架桥梁不仅要承担结构本身的运输效益需求与城 市社会效益需求 ，而且要兼顾桥梁下道路的近期 用地成本效益，以及兼顾远期运输效益和实现远 期规划成本效 益即如何在远期规划与桥梁 下 部结构所需用地产生冲突时， 利用特殊结构在“ 异 形” 建筑用地上， 有效 、 快速地完成下部结构承载 能力搭建 ，是今后经济发达地 区高架桥梁建设 中 必须解 决的问题 。采用预应力混凝土偏心墩是一 种有效办法 。 1 预应力混凝土偏心墩特点分析 1 1 偏心墩在 一定范围内更为经济 偏心墩 可以有 限适 用于前文所说 的“ 异形 ” 建 筑用地可用建设用地及桥下建筑 限界相对桥 梁 中心线不对称 ，且不能满足设置 以桥 梁 中心线 对称 的下部结构 的最小用地需求 ， 相对于改变“ 异 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 1 0 作者简介 ： 姚莉 ( 1 9 8 5 一) ， 女 ， 甘肃天水人 ， 工程师 ， 从 事公路与市 政道路工程设计设计工作 ， 研究方面； 桥梁工程。 形” 建筑用地 的成本 ， 改变结构利用偏心墩完成下 部结构 的功效则更为经济。 在这里之所 以说 “ 一定 范 围内” 和 “ 有 限适用 ” 是 因为该类 型结构 的造 价 也会 根据偏 心距 的增 大而增大 ，并且是非线性加 速增大 ， 结构实现难度也 同样加大 ， 当结构造 价及 结构实现难度 达到一定水平 时 ，必然会造成整体 桥梁方案甚至是路线方案的修改。 1 2 偏心墩在 一定范围内结构分析更简单 本文所介绍的预应力混凝土偏心墩承载力验 算时， 较一般桥墩的承载能力验算， 在所受弯矩这 一 项 目中有较大增强 ，需要通过墩身 内锚 固在基 础及墩身顶的预应力索产生的与外力合力点异侧 的轴力及弯矩，用以平衡所受轴力加弯矩产生的 一 系列作用 ， 由于是用 “ 内力 ” 平衡外力影 响 ， 故而 结构受力简单，可将计算过程先简化为平面杆系 计算， 然后进行预应力钢束配索 ， 可以有一定的缩 短设计周期的作用。当然这也是有条件限制的， 即 “ 一 定范围” ，当偏心产生的形变无法用预应力钢 束平衡，或恒载状态下为平衡偏心影响配置的预 应力 钢束 所 产生 的应 力会 对结 构 产生 不 良影 响 时 ， 可简化计算 的偏心墩将不再适用 。 1 3 偏心墩还具备一些其他优点 ( 1 ) 桥墩墩身结构 自身有较大的刚度， 同时对 上部构造来说有较好的稳定性 ； ( 2 ) 由于结构边界 条件简单 ， 客观上减少了病害的发生； ( 3 ) 偏心墩 在模板完成 ，以及钢筋预埋 的情况下可 以一次浇 筑 ， 在同等条件下 ， 降低了常用墩柱接盖梁的下部 结构施工时为更换不同材料而多次浇筑产生的各 种困难， 适当加快了工期 ； ( 4 ) 使用偏心墩时， 会尽 量少地使用对上部构造的支座数量 ，且桥墩墩身 为 了减少剪力影响而进行 的扩大化设计 ，对养护 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 1 1 月第 1 1 期 工作来说提供了更多的便利，降低了养护丁作的 难度和成本。 2 工 程实例 2 1 桥 梁 概 况 南方某沿海城市快速路项 目某匝道桥是主线 桥 的下行匝道桥 ，该桥上行纵 向跨越一重要通道 的辅道 ， 桥梁全长 2 5 1 5 m， 全桥共三联 。现讨论 的 预应力钢筋混凝土偏心桥墩位于第二联的第二个 桥墩 ， 其上部结 构采用( 42 5 m) 现浇预应 力混凝 土连续箱梁，下部结构为躲避一条规划道路的辅 道 ， 采用独 柱预应力钢筋混凝土偏 心桥墩 ， 承 台接 摩擦桩基础 。 桥梁主要尺寸及技术标准为 ： 全宽 一 8 5 m， 净 宽 一 7 5 m， 公路 一I 级荷载 ， 现浇梁高 1 4 0 e m， 沥 青混凝土铺装厚 1 0 e m， 设计车道数按照两车道计 算 ， 预应力钢筋 混凝土偏 心桥墩墩 高为 5 3 I T I ， 固 定墩 ， 7度设 防地震烈度 。桥跨布置的平纵断面如 图 1 所示；预应力钢筋混凝土偏心桥墩 ( 推荐方 案 ) 断面 图如图 2所示。 图 1 大桥 第二联桥跨布 置图 ( 单 位 ： c m ) 偏心墩 ( 摊荐方案) 偏心墩( 比较力荣) 图 2 预 应力钢 筋混凝土偏 心桥墩 ( 推 荐方案 ) 与( 比较方 案 ) 断面 图( 单位 ： c m) 2 2方案选取过程及计算基础资料 在方案选取过程中最初作者设计 出的是 比较方 案 ( 见图 2 ) 带盖梁两支座偏心墩 的方案 ； 而后 通过简化 ， 再 次设计产生 了第二方案 ， 即推荐方案 ( 见图 2 ) 。 最初 的比较方案 与后来 的推 荐方案最大的 区 别在于 ，推荐方案适当放弃 了对 上部结构抗 扭性 能 以及侧 向稳定性 的追求 ( 因为第一 、 三 、 四 、 五桥 墩均为双支座 ) ， 用 以换取偏心墩力学模 型 中偏心 距最小化。 通过上述方案介绍 、 比较 ， 以及 图 2中显而易 见 的型式与尺寸 的差别 ，可以清晰地看到推荐方 案在经济性上 ，以及力学性能与桥下建筑 限界 的 平衡方面具有较明显 的优势。 采用 上述推荐 方案另一个优点是 ：可 以将预 应 力钢 筋混 凝 土偏 心桥 墩墩 身处 左 右分 为 两部 分 ， 一部 分为矩形 部分 ， 另一 部分为梯形 部分 ， 将 矩形部分 当作偏心受压构件进行结构计算 。计算 中需要将梯形部分 的 自重 ，以及上部结构在各种 工况下 的荷 载 ，加载 到矩形部分 的偏 心受压构件 上， 以轴力加弯矩的作用在偏心受压构件上， 模拟 偏心墩 的各种工 况条件下所 承受 的恒载与 活载 。 由于墩身下配有承台 ，所 以墩身 的边界条件为 固 结约束。并且由于仅有一个支座， 所以在计算中也 不用考虑上部结构会 对墩身整体产 生除 了支座位 置 以外 的额外的作用 。 综上所述 ，最终选定 了用单 支座异形花瓶墩 方案， 即推荐方案。 具体的参数 的选取 ， 其内容如下所述 。 2 2 1 材料选用 墩 身： C 4 0混凝土 ； 钢筋 ： R 2 3 5 、 H RB 3 3 5钢筋 ； 预应力钢绞线 ： 2 7 0级高强低松弛刚绞线 ， f n k = 1 8 6 0 MP a 。 2 2 2 外荷载数据 ( 1 ) 承载能力极限状态下 ， 上部结构传给支座 的最大反力按照 7 2 6 0 k N计算。 ( 2 ) 使用极 限状态 长期荷 载作用下 ， 上部结构 传给支座 的最大反力按照 5 3 1 3 4 k N计算 。 ( 3 ) 使用极限状态短期荷载作用下， 上部结构 传给支座 的最大反力按照 5 0 3 4 4 k N计算 。 ( 4 )梯形段 自重按照 8 1 5 4 k N的轴力 ，以及 4 7 7 k N m的偏心弯矩计算 。 ( 5 ) 风荷载水平力取值为 8 0 6 k N ， 弯矩取值为 4 2 7 2 k N i n ， 分项 系数取值为 1 1 。 ( 6 ) 钢束参数及数量取值( 预应力钢束布置方 案 图如图 3 ) ： 张拉控制应力 O e r ,n = 0 7 5 = 1 3 9 5 M P a ； 松驰系数取 0 3 ， 孔道摩阻 0 2 5 ， 孑 L 道偏差 0 0 0 1 5 ， 锚具变形 0 0 0 6 ； 钢绞线数量： 束 n股) ： 39 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 5 年 1 1 月第 1 1 期 表 4 轴 心受压构件横 向稳定检算 结果一 览表 表 5 裂 缝检 算( 偏心 受压) 参数表 ( 1) 表 6 裂缝检算 ( 偏心 受压 ) 参数 表( 2) =N g + 0 7 Na Ms = Mb + o 7 Ma Nl = N g 0 4 Na MI = Mb + O 4 Ma k N (短期效应)， l( N m ( 短期效应) k N ( 长期效应)，k N m (长期效应) 项 目 C J C 3 C 2 = 1 + 0 5 xN1 N s d mm 2 3 1 2 预应力损失验算 根据该结构特点 ， 经过验算 ， 符合规定 。 2 3 2 计算分析结论 根据上述的简化模型分析 ， 以及计算结果 ， 可 得 到如下 结论： ( 1 )根据对 简化后模 型 的判 断 ， 预 应力混凝 土偏心墩对上部结构受力除 了单支座 的 影响外无其他不利影响； ( 2 )当下部结构应用预 应力混凝 土偏心墩后 ，在一定范 围内可 以减少 工 程造价 ；( 3 ) 在有机调整墩身各部位 尺寸后 ， 采用 大偏心 受压构 件 即预应力 混凝 土偏 心墩 ， 可 以在 “ 异形 ”建筑用地上有效实现下部 结构的功 效。 3 结语 通过对南方某沿海城市快速路项 目中，某高 架桥梁的下行匝道桥预应力混凝 土偏 心墩 的讨论 分析，得到一些针对能保证 异形建筑用 地正常适 用 、桥下建筑限界和建筑 高度 的预应 力混凝土偏 心墩设计有用的分析方 法和结论 ，有 利于经济较 发达地区现代化城市中的高架桥梁设计；同时分 析证 明了利用预应力混凝土偏心墩在一定范 围内 减少工程造价 、降低养护难度和养护成本 的可能 性 我国明确海绵城市建设“ 时间表 作为城市发展理念和建设方式转型的重要标志 ， 我国海绵城市建设 “ 时间表” 已经 明确且 “ 只能往前 ， 不可能往后 ” 。 住房城乡建设部副部长陆克华 近 日表示 ， 目前全 国已有 1 3 0多个城市制定 了海绵城市建设方案 。根 据国务院常务会议有关部署， 确定的目标核心是通过海绵城市建设 ， 使 7 0 的降雨就地消纳和利用。 围绕 这一 目标确定的时间表是到 2 0 2 0年 ， 2 0 的城市建成 区达到这个要求 。如果一个城市建成 区有 1 0 0 k m 的话 ， 至少有 2 0 k m 在 2 0 2 0年要达到这个要求 ； 到 2 0 3 0年 ， 8 0 的城市建成区要达到这个要求 。这是一 个总要求 ， 各地可以结合实际情况制定本地 目标 ， 但是 只能往前 ， 不能往后 。 陆克华在国务院新闻办举行的国务院政策例行吹风会上说， 按照国务院要求 ， 财政部、 住房城乡建设 部 、 水利部选择 了 l 6 个城市今年开展试点。江苏 、 安徽 、 辽宁等省 印发了指导意见 ， 要求在全省范 围全面 推进海绵城市建设 。通过人工和 自然 的结合 、 生态措施和工程措施的结合 、 地上 和地下 的结合 ， 海绵城市 建设将推动解决城市 内涝问题 ， 解决水体黑臭问题 ， 调节微气候 、 改善水生态等 。海绵城市建设不是一个 单纯 的 目标 ， 而是一个综合 目标 ， 即城市发展理念和建设方式转型。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m