双层桥梁门型墩设计分析

黄 斌，夏云龙

(浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

双层桥梁门型墩设计分析

黄 斌，夏云龙

(浙江省交通规划设计研究院，杭州 310006)

随着中国经济发展，建设用地日益紧缺，双层桥梁因能有效节约土地必将成为桥梁发展的趋势[1]。鉴于目前国内外双层桥梁工程实例较少，为探讨双层桥梁的结构计算和设计方法，通过温州瓯江北口大桥工程设计实例，对双层桥梁的门式墩设计过程进行分析。主要考虑带隐形横梁的双层门式墩建模的特点，多幅桥汽车荷载的模拟和取值，风荷载、温度荷载、支座摩阻力等荷载的取值及影响分析等。

双层桥梁；门型墩；设计

1 项目简介

温州瓯江北口大桥为两桥合建项目，采用上下层结构形式，上层为高速公路(甬台温高速公路复线)，下层南金公路(G228)。上层高速公路设计基准期为100年，设计行车速度为100km/h，双向六车道，采用2×(3×3.75)的行车道，标准路基宽度33.5m。下层南金公路设计基准期为100年，设计行车速度为80km/h，双向六车道，采用2×(3×3.75)的行车道，标准路基宽度33m。引桥南岸高墩区采用预制节段拼装混凝土箱梁，下部结构采用门式框架墩。上层高速公路采用隐形横梁，箱梁通过隐形横梁立于门式墩的三个柱顶，下层南金公路箱梁落在下横梁上。此结构形式比较特殊，可借鉴的工程经验有限，如何设计计算值得研究和探讨。

2 模型的建立

本文采用MIDAS-CIVIL建立杆系单元模型，全桥合计306个节点，299个单元。

相对常规的单层桥墩，建模过程有以下几个特点：

(1)隐形横梁的模拟

隐形横梁采用与实际横梁刚度接近的虚拟横梁模拟。采用虚拟横梁主要是为了便于汽车荷载的的横向加载。相比直接在支座位置静态加载，虚拟横梁法能够更加准确的包络横向加载各工况的效应。

端部采用弹性连接，中柱顶部需要建立辅助节点，并与柱顶刚性连接(主从节点)，模型及节点处理见图1～图3。

图1 模型正面图 图2 模型三维图

图3 虚拟横梁及节点处理示意图

(2)偏心的处理

边柱的上柱和下柱形心不在一条直线上，产生偏心弯矩。关于如何处理该偏心弯矩，采用以下两种方法计算，并进行了对比分析。

方法一：节点建在形心，上柱在下柱与横梁交点的地方，采用刚臂模拟，见图4、5。

图4 有限元模型一(节点位于形心) 图5 恒载下节点A弯矩图

方法二：节点不建在形心，而是建立在截面的外边缘。上下柱的交点与下横梁采用主从约束，见图6、7。

图6 有限元模型二(节点位于截面边缘) 图7 恒载下节点A弯矩图

通过分析，两种建模方式的计算结果实际上是相同的，但是反映形式有所不同。建模过程中和计算结果处理时需要特别注意：

① 对于模型二节点荷载必须加载在柱顶的质心，不能加载在节点，否则导致偏心弯矩而失真。

② 模型二中，上柱与下柱相交，横梁只能建到下柱的质心处，质心与节点之间采用主从约束连接。这关系到横梁的计算跨径，否则将人为增大横梁跨径，导致横梁端部弯矩偏大。

③ 模型一中，节点弯矩平衡，而模型二中，节点弯矩不平衡，刚好相差上柱的轴力与上下柱偏心的乘积，说明有限元模型的弯矩图中未反映上柱的恒载偏心弯矩。而模型一中，这个偏心弯矩反映在刚臂的内力上。

由此可见，方法一具有加载便捷和结果读取更加直观两个优点，故采用方法一建模。

3 荷载的模拟

上部结构恒载采用纵向计算模型的支座反力提取。汽车荷载采用横向加载法，四幅桥分别建立四个横向车道，从纵向箱梁模型中提取桥墩处单车道荷载效应，进行横向加载，见图8。

图8 活载模拟-横向加载车道示意图

纵桥型的整体升降温效应的模拟，采用节点强制位置模拟。纵桥向活动支座需要对温度和风荷载的叠加效应与支座摩阻力效应进行比较，若前者小于后者取前者，否则取后者。固定支座承受按照刚度分配得到的温度和风荷载。

风荷载的模拟，按照抗风规范的静阵风计算风荷载。横桥向背风侧的中柱和边柱效应考虑适量折减，箱梁左右幅由于相隔较近，不考虑背风侧的箱梁横向风荷载。

本文采用MIDAS-CIVIL建模，提取墩柱内力后，采用桥梁博士对墩柱进行截面验算，桥墩计算长度系数参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)[2]及《BS5400-4：1990》[3]，按表1取值，并采用数值解法复核。

表1 计算长度系数取值表

双层门式框架墩的横桥向约束条件类似于两跨连续梁的顺桥向约束体系，计算长度系数取值可以参照顺桥向的取值方法。此外，由于固结墩顶底部的弯矩基本上是同步增长的，因此固结墩顶底部采用相同的计算长度。

4 计算分析及设计结果

门式框架(含上下层虚拟横梁)在恒载和汽车荷载作用下的弯矩图如图9、10所示：

图9 恒载弯矩图 图10 汽车荷载弯矩包络图

注意到恒载弯矩图的一个特点，由于恒载偏心作用，下边柱柱顶弯矩较大，比下中柱弯矩大得多，设计时需要对边柱加强配筋。

活载作用下横梁的正弯矩和负弯矩都比较大，横向预应力钢束需要加强配置。横梁承载能力包络图如图11、12所示：

图11 下横梁承载能力包络图-弯矩图

图12 下横梁承载能力包络图-剪力图

下横梁标准组合上缘和下缘的应力包络图如图13、14所示：

图13 上缘的应力包络图

图14 下缘的应力包络图

经计算后确定的桥墩构造图如图15所示，标准墩下边柱截面尺寸为3.5m×4.2m，上边柱截面尺寸为2.0m×4.2m，下中柱截面尺寸为4.5m×4.2m，上中柱截面尺寸为2.0m×4.2m，上中柱柱顶横向展开半径为6.38m，墩顶横向宽3.5m。墩顶纵桥向展开为5.8m，展开半径为16.03m。横梁采用矩形截面，截面尺寸为4.0m(宽)×3.5m(高)，采用预应力混凝土结构。钢束采用19股Φs15.2高强低松弛钢绞线。

图15 桥墩一般构造图

5 结 语

本文重点讨论了隐形横梁与墩柱的连接模拟、上柱与下柱偏心弯矩处理、多横梁的车道模拟及计算长度系数的取值方法、升降温及风荷载的模拟方法等，提供了工程实例和主要设计成果，为双层多幅桥梁设计提供了可行的计算和设计方法。但是对于多幅桥梁的汽车荷载折减系数及复杂桥墩的计算长度系数精确取值等问题并未涉及，尚待进一步深入研究。

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动(修订版)[M].北京:中国铁道出版社，2002.

[2]JTG D62-2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]BS5400-4:1990,Steel, Concrete and Composite Bridges--Part4:Code of Practice for Design of Concrete Bridges[S].

[4]潘志炎，史方华.高桥墩稳定性分析[J].公路，2004,(9):60-62.

[5]曾照亮.高墩计算长度探讨[J].中外公路，2008，28(5):160-162.

[6]孙建渊,陈阶亮.城市桥梁双层交通的概念设计[J].桥梁建设，2006,(2)：39-42.

Analysis and Design of Portal Pier of Double Deck Bridge

HUANG Bin，XIA Yun-long

(Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research, Hangzhou 310006，China)

With China’s economic development, the construction land increasingly scarce, double deck bridge for effective saving land will become the trend of bridge development. In view of the double deck bridge engineering examples at home and abroad is less，to study the structure calculation and design method of double deck bridge, through the example of design of the Wenzhou North Oujiang Bridge, the process of design of the portal pier of double deck bridge is analyzed in this article. The main consideration is the characteristics of modeling of invisible beam of portal pier of double deck bridge, the simulation and values of vehicle load on multiple deck, values and the impact of wind load, temperature load and friction of bearing, etc.

double deck bridge；portal pier；design

2016-11-15

黄 斌(1984-)，男，湖南衡阳人，工程师，硕士，E-mail：215641863@qq.com。

U443.22

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.04.001

1671-234X(2016)04-0001-05