双层桥门式墩结构受力分析

周伟光

（广州市市政工程设计研究总院有限公司,广东 广州 510030）

0 引言

随着社会的不断发展，土地资源越来越稀缺，桥梁下方空间利用受净空、墩柱设置等限制，往往不能充分利用。双层桥梁方案可充分利用桥下空间、节约用地资源，实现双层交通功能，更好地满足交通功能需求，具有良好的应用前景。为实现快速施工，上部结构一般采用预制结构，因此双层桥下部结构采用双层门式墩结构，设置双层盖梁，实现上下层放置梁片。区别于常规桥墩盖梁，双层桥门式墩结构受力更为复杂，上下层桥梁施工顺序对结构受力存在影响，需对其受力情况充分地分析研究以保证结构安全。目前针对双层桥梁结构，已有研究成果从不同角度对其进行了研究分析[1-5]。

1 工程概况

某地两工程项目线位均位于既有道路上，两个项目相互影响和制约，涉及设计方案、征地拆迁、勘察等各方面协调。如两项目线位采用平面平行布置，用地将大幅增加，且涉及大量征拆。为节约用地减少征拆，其中一段采用共走廊设计，桥梁结构采用双层桥方案。为避免现浇施工侵占既有道路，上下层桥梁上部结构均采用30 m 跨度左右预制小箱梁结构，下部结构均为双层门式墩。桥墩采用方柱，盖梁的高度、宽度根据具体的受力情况、上部梁高及抗震措施要求确定。上下层盖梁采用预应力混凝土倒T 形断面，现浇施工。双层桥效果图如图1 所示，结构典型断面如图2 所示。

图1 双层桥效果图

图2 双层桥典型断面示意

2 结构受力分析

2.1 单、双层门式墩受力对比分析

常规单层盖梁作为受弯构件主要承受集中荷载，为分析增设一层盖梁后对下部结构受力的影响，分别建立单、双层门式墩结构有限元模型进行分析。计算分析模型中预应力混凝土倒T 形盖梁中间顶板凸出块宽1.5 m，总宽3.4 m，高3.1 m，中墩设置局部倒角加高1 m，上下层盖梁均设置四排钢束，钢束规格为s 15-13~15。边墩上层为边长1.8 m 方柱，下层为边长2.2 m 方柱，接单根直径2.5 m 桩基；中墩上层为2.2 m 方柱，下层墩柱长3.4 m，宽3.0 m，中墩承台下设两根直径2.8 m 桩基。上部结构恒载传递到支座的反力根据上部结构计算结果确定，公路I 级荷载按车轮位置按移动荷载输入，温度荷载按整体升降温25 ℃计算，沉降荷载按支座沉降5 mm 计算。

经计算，单层上盖梁最大弯矩为79 146 kN·m，增加一层盖梁后上盖梁最大弯矩为80 272 kN·m，对比单层增加1.4%。因墩柱盖梁刚度较大，增设下层盖梁对上层盖梁受力影响可忽略，只需对应增加墩柱及桩基尺寸。计算模型如图3 所示。

图3 门式墩计算模型

2.2 上下层盖梁不同施工顺序受力分析

因上下层分属不同项目，受项目进展影响实施顺序存在不一致，需分别分析上下层不同施工顺序对门式墩结构受力能否满足要求。建立多个模型，上层及下层活载分别定义，上（下）层盖梁计算时，将下（上）层活载对上层盖梁产生最不利荷载的加载位置导入上（下）层模型，然后进行上（下）层盖梁的配束计算，计算墩柱时，思路相同。主要工序如表1 所示。

表1 上下层桥梁不同施工顺序主要工序

根据两种不同施工顺序提取内力包络进行计算，盖梁按A 类预应力构件进行验算。经计算，上层盖梁最不利组合弯矩为92 678 kN·m，承载能力为131 298 kN·m，最不利组合剪力为15 772 kN，承载能力为23 859 kN；下层盖梁最不利组合弯矩为98 261.4 kN·m，承载能力为116 672.2 kN·m，最不利组合剪力为13 587.2 kN，承载能力为28 451.1 kN；上下层盖梁正截面抗裂计算均未出现拉应力，斜截面抗裂、持久状况和短暂状况构件应力计算均满足规范[6]要求。

对于墩柱受力，相比常规墩柱，增设下层盖梁后墩柱计算长度及约束条件变化，控制截面需考虑上层墩顶、上层墩顶、下层墩顶、下层墩底，墩柱及桩基承载能力计算均满足要求，结果如表2 所示。根据计算结果，中墩因轴力较大，控制组合均为轴力最大组合，边墩中部截面因增设下层盖梁弯矩增加较大受力变为弯矩组合控制。增设下层盖梁后的E2 地震作用计算结果如表3 所示，E2 作用下最小安全系数1.18，满足规范要求。

表2 墩柱及桩基承载能力计算结果

表3 E2 地震作用下墩身承载能力计算结果

2.3 下层墩柱预应力管道开孔局部受力分析

对于常规单层桥梁盖梁，预应力束开孔均在盖梁结构中，对于双层桥，下层盖梁钢束管道需穿过桥墩，将对墩柱截面形成一定孔洞，需对开孔处进行受力分析，实体计算模型如图4 所示。

图4 局部孔洞实体计算模型

根据计算结果，在最不利荷载组合下开孔部位局部压应力4.7 MPa，部分点位5.0 MPa，墩柱C40 混凝土抗压强度设计值为18.4 MPa，满足规范要求。

3 结论

双层桥门式墩结构构造、受力复杂，该文结合有限元计算分析了上下层桥梁实施顺序、增设下层盖梁对上层盖梁的影响以及下层钢束孔洞对墩柱受力的影响。计算结果表明，增设下层盖梁对上层盖梁受力影响可忽略，只需对应增加墩柱及桩基尺寸。采用合适构造尺寸及配束情况下，不同上下层桥梁实施顺序及钢束开孔处受力均能满足要求，文中分析成果可为类似工程提供参考。