邱建冬

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概述

西凌井樞紐為北二環(huán)高速起點(diǎn)與太佳高速T型交叉樞紐，位于太原市陽(yáng)曲縣西凌井鄉(xiāng)掃峪村南，距離西凌井鄉(xiāng)約5 km。此樞紐主要服務(wù)于太佳高速公路與本項(xiàng)目的交通流轉(zhuǎn)換。該樞紐主線橋跨越凌井河，與凌井河角度斜交，交角較小。按照防洪評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，橋梁在主河槽范圍內(nèi)進(jìn)行布設(shè)，須滿足橋梁橋墩在主河槽斷面的投影面理論重合，以滿足防洪評(píng)價(jià)關(guān)于阻水比（橋墩投影寬度/河道寬度）不超過(guò)20%的要求。

2 框架墩設(shè)計(jì)

西凌井樞紐主線橋9、10、11號(hào)橋墩跨越凌井河，河道寬約30 m，按照常規(guī)進(jìn)行布設(shè)橋孔，左右幅分別考慮橋墩布設(shè)，其橋墩蓋梁長(zhǎng)度會(huì)減小，節(jié)約工程規(guī)模，但4個(gè)橋墩位于河道內(nèi)，但其投影到主河道斷面的寬度為12 m，阻水比計(jì)算結(jié)果為40%，不滿足防洪評(píng)價(jià)要求，如圖1所示。

圖1 9、10、11號(hào)橋墩位置平面圖

為了滿足防洪要求，設(shè)計(jì)時(shí)以10號(hào)墩中墩為基準(zhǔn)點(diǎn)，兩個(gè)邊墩布設(shè)在河道之外。將9號(hào)墩的左邊墩和11號(hào)墩的右邊墩，放置到10號(hào)墩中墩沿河流主斷面的投影位置當(dāng)中，使得3個(gè)橋墩的中墩的投影面重合，投影到主河道斷面的寬度為4.2 m，阻水比計(jì)算結(jié)果為14%，滿足防洪評(píng)價(jià)要求，如圖2所示。圖1、圖2中從左至右依次為9號(hào)墩、10號(hào)墩、11號(hào)墩，陰影部分為凌井河區(qū)域。

圖2 9、10、11號(hào)橋墩位置優(yōu)化后平面圖

9號(hào)墩～11號(hào)墩采用三柱式矩形墩，均為非對(duì)稱(chēng)式框架墩，跨度分別為 （25+13）m、（15+24.5）m、（21+18.9）m，蓋梁寬3.4 m，高3 m，采用預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束形狀如圖3所示。墩身尺寸為3×3 m，橋墩最大高度為39 m，具體尺寸如圖4所示。9號(hào)墩左幅上部設(shè)置9片T梁，右幅6片T梁；10號(hào)、11號(hào)墩左幅上部設(shè)置8片T梁，右幅6片T梁，蓋梁承受上部T梁的偏載作用。

圖3 10號(hào)橋墩蓋梁鋼束圖（單位：cm）

圖4 10號(hào)橋墩立面圖（單位：cm）

3 計(jì)算模型

根據(jù)橋墩所受上部荷載的偏載作用及三柱的跨度綜合考慮，本文選取10號(hào)墩作為計(jì)算對(duì)象，計(jì)算內(nèi)容包括蓋梁、墩身的承載力、應(yīng)力和裂縫等。橋墩采用大型有限元分析軟件Midas Civil 2020進(jìn)行計(jì)算分析，建立主橋成橋階段和施工階段有限元模型，構(gòu)建總體靜力分析計(jì)算模型，整體靜力計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 10號(hào)墩計(jì)算模型

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)取值

蓋梁采用C50混凝土，墩身采用C40混凝土，承臺(tái)樁基采用C30混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Strand1860，彈性模量1.95×105MPa，容重78 kN/m3。

上部主梁恒載重按照14片T梁的支點(diǎn)反力施加，混凝土收縮徐變均按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）取值，考慮主梁C50混凝土10年的收縮徐變效應(yīng)，基礎(chǔ)沉降按-5 mm考慮。

汽車(chē)活載取公路-I級(jí)，車(chē)道縱、橫向折減均按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[1]取值，其中沖擊系數(shù)u=0.3；計(jì)算體系升溫25℃，體系降溫-25℃。

將風(fēng)荷載分W1風(fēng)和W2風(fēng)，其中W1風(fēng)可與活載進(jìn)行組合。W1風(fēng)荷載：參考《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]取值，橋面處風(fēng)速為25 m/s；W2風(fēng)荷載：按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]取值，基本風(fēng)速為32.6 m/s；風(fēng)荷載與其他荷載組合按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）3.3.1條執(zhí)行。

3.2 框架墩蓋梁驗(yàn)算結(jié)果

蓋梁的驗(yàn)算按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）[3]執(zhí)行，主梁為A類(lèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，安全等級(jí)為一級(jí)。

運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，蓋梁在恒載狀態(tài)下上緣的最大壓應(yīng)力為-9.8 MPa，位置位于中墩墩頂處，下緣的最大壓應(yīng)力為-9.0 MPa，位置位于第二跨跨中處。蓋梁在車(chē)道活載狀態(tài)下主梁上緣的最大壓應(yīng)力為-1.5 MPa，位置位于中墩墩頂處，主梁下緣的最大壓應(yīng)力為-1.8 MPa，位置位于第二跨跨中處，均小于混凝土的最大壓應(yīng)力-16.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

蓋梁在正截面抗彎承載能力最大值為116400kN·m，小于其允許抗彎承載能力173151kN·m，位置位于第二跨跨中處；正截面抗彎承載能力最小值為-34 600 kN·m，小于其允許抗彎承載能力-86 576 kN·m，位置位于中墩墩頂處。

蓋梁加密區(qū)箍筋為10Φ12@100 mm，非加密區(qū)箍筋為10Φ12@150 mm，受拉鋼筋距截面邊緣距離as為60 mm，斜截面抗剪承載能力為18 532 kN，小于其允許抗剪承載能力27 797 kN，位置位于中墩處。

綜上所述，10號(hào)墩蓋梁的不同工況下上下緣應(yīng)力、各截面抗彎承載力、各斜截面抗剪承載力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，其余各項(xiàng)具體計(jì)算指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 蓋梁計(jì)算結(jié)果表 MPa

4 框架墩墩身驗(yàn)算結(jié)果

荷載組合按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[1]以及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）[3]執(zhí)行，風(fēng)荷載與其他荷載組合時(shí)按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）[2]3.3.1條執(zhí)行，對(duì)10號(hào)墩在運(yùn)營(yíng)新?tīng)顟B(tài)下，基本組合以及短期組合下該墩的受力情況及裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 承載力計(jì)算結(jié)果

橋墩采用C40混凝土，主筋為HRB400鋼筋直徑28 mm雙排布置。橋墩縱彎計(jì)算長(zhǎng)度偏安全取實(shí)際長(zhǎng)度的2倍，橫彎計(jì)算長(zhǎng)度取實(shí)際長(zhǎng)度的2倍。承載力驗(yàn)算過(guò)程中未計(jì)入腹板側(cè)鋼筋的作用。本模型計(jì)算結(jié)果選取該橋墩的左墩、中墩、右墩的墩頂和墩底的6個(gè)截面位置，查看其基本組合下內(nèi)力，結(jié)果表明10號(hào)墩橫向、縱向的軸向壓力均小于其偏向承載壓力，偏壓破壞形態(tài)均處于偏壓形態(tài)，安全系數(shù)分別不小于1.55、1.45，主墩偏壓承載力滿足規(guī)范要求。

4.2 裂縫驗(yàn)算結(jié)果

本模型計(jì)算結(jié)果選取該橋墩的左墩、中墩、右墩的墩頂和墩底的6個(gè)截面位置，在頻遇值組合下縱、橫向下的內(nèi)力，結(jié)果表明在橫向偏壓作用下，均滿足e0/h＜0.55，無(wú)需驗(yàn)算裂縫寬度，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求；在縱向偏壓作用下最大寬度值為0.11 mm，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

5 結(jié)論

本文以太原北二環(huán)高速西凌井樞紐主線橋?yàn)橐劳?，針?duì)其9號(hào)～11號(hào)橋墩跨越凌井河，考慮到防洪評(píng)價(jià)的要求，采用了三柱式矩形墩大跨度框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取其10號(hào)墩，通過(guò)Midas橋梁有限元計(jì)算軟件對(duì)其蓋梁、墩身的承載力及強(qiáng)度均進(jìn)行了驗(yàn)算，確定該種橋墩的設(shè)計(jì)可行性，對(duì)類(lèi)似高速的高墩設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。