城市高架桥预制墩研究

　　摘要：本文在设计预制桥墩的过程中，进行了相应的结构计算，可供同类结构设计参考。
　　关键词：BRT高架桥，预制墩，设计，计算
　　0前言
　　预制桥墩比较常见用于水上桥梁中，如跨越交通繁忙的河道桥梁、气候环境恶劣的海上大桥等不适宜长时间在外作业的地方均有广泛运用。目前，随着城市高架桥的大量建设，预制桥墩也逐渐被引用到城市桥梁的建设中。
　　厦门高架BRT位于岛内主要交通干道上，两边均为商业及居民住宅楼，为将施工对周边环境及既有道路交通的影响尽量降到最低，同时加快施工进度，受业主委托，考虑在厦门BRT高架桥设计中采用部分预制桥墩。
　　1预制墩设计
　　厦门高架BRT预制桥墩外观同区间现浇钢筋混凝土桥墩，区别在于墩身采用空心截面，在结构计算满足功能要求前提下，减轻结构自重，以利于运输及吊装施工；预制墩采用整体预制，在现场通过普通钢筋或预应力钢筋拼接成为整体的方式，该方案是有效地利用预制块施工法特长的合理结构形式。桥墩结构如下图1所示：
　　
　　图1预制墩一般构造图
　　2实体模型分析
　　由于花瓶式桥墩受力复杂，初等梁理论计算不适用，本文按空间有限元理论。为验证结构的可靠性，针对本次的预制桥墩，分别按照吊装、运输及运营阶段进行了实体模型的分析计算。并采用Midas/civil2006空间有限元软件进行分析，建立空间实体有限元模型，桥墩实体有限元模型如下图2所示：
　　
　　图2花瓶墩实体模型
　　2.1运营阶段计算
　　桥墩计算考虑了恒载、汽车荷载、制动力、温度力、风荷载、地震力等。根据上部计算结果，按承载能力极限状态设计组合得最大竖向力为14057KN，支反力近似按平均值分配给两个支座，单个支座最大竖向力为7028.5KN。温度：按均匀升温25°，均匀降温25°，考虑混凝土的收缩徐变等。垫石顶外力按支座最大支反力输入，花瓶墩身各部位细部模型及应力状况分别如下图3~4所示：
　　
　　图3花瓶墩顶部最大主应力云图图4空腔顶部有效应力云图
　　从上述计算结果可知，花瓶预制墩在使用阶段的应力及强度均满足设计及安全要求。
　　2.2撞击计算
　　参照规范CJJ69-95第3.1.13条的规定，对桥墩进行了撞击计算，撞击力取350kN,撞击力作用点位于路面以上1.8m处。计算工况：运营过程，桥上无车。采用Midas/civil2006建立实体模型进行模拟撞击计算。
　　2.3特征值分析
　　由于预制桥墩为空心薄璧结构，受力与实体墩有所不同，设计中除应检算强度、纵向弯曲稳定、墩顶弹性水平位移等常规检算内容外，还应考虑局部稳定、抗裂性、振动、温差、混凝土收缩，以及固端干扰等影响。因此，高墩的墩身应力、自振周期、墩顶位移等成为墩身截面设计的控制条件。本次预制桥墩墩高10m，采用midas/civil2006对预制空心桥墩进行了运营阶段下的特征值分析，并提取了前十二阶频率及各阶振型图，理论频率计算结果如下表1：
　　表1特征值分析表
　　模态号 频率 频率 周期 容许误差
　　 (rad/sec) (cycle/sec) (sec) 
　　1 9.725956 1.547934 0.646022 0.00E+00
　　2 13.921302 2.215644 0.451336 0.00E+00
　　3 41.650082 6.628816 0.150856 0.00E+00
　　4 101.966717 16.228507 0.061620 0.00E+00
　　5 135.767704 21.608101 0.046279 0.00E+00
　　6 149.080909 23.726964 0.042146 0.00E+00
　　7 204.053076 32.476056 0.030792 2.69E-36
　　8 211.355540 33.638279 0.029728 4.42E-34
　　9 265.228287 42.212393 0.023690 1.67E-13
　　10 265.887262 42.317272 0.023631 4.72E-13
　　11 266.785440 42.460222 0.023551 1.26E-21
　　12 268.520111 42.736303 0.023399 3.19E-22
　　根据预制墩的前十二个振型图，通过分析前十二阶振型图我们可以得到如下结论：
　　桥墩采用花瓶型板式墩，墩身截面尺寸为2.4x1.6m，墩顶设双支座，支座间距2.4m，墩身内部挖空。由于墩高较高，纵桥向尺寸仅为1.6m，纵桥向刚度较小，因此桥墩第一阶振型表现为纵桥向一阶水平振动，自振频率为f1=1.548Hz。
　　第二阶振型表现为桥墩横桥向一阶水平振动，自振频率为f2=2.216Hz。
　　第三阶振型表现为桥墩绕墩身竖轴扭转振动，自振频率为f3=6.629Hz。
　　第四阶振型表现为桥墩竖向伸缩振动，自振频率为f4=16.229Hz。
　　第五阶振型表现为桥墩花瓶端横桥向扩伸振动，自振频率为f5=21.608Hz。
　　第六阶振型表现为桥墩横桥向侧顷振动，自振频率为f6=23.727Hz。这是由于桥墩较高，上部结构质量较大，桥梁桥面宽度达到10.0m，而桥梁墩顶支座横向间距仅2.4m所引起的，其振动频率与花瓶端横桥向扩伸振动基频接近（比后者高出9.8％），反映出桥墩墩身截面抗弯刚度大的特点，墩顶横向支撑2.4m可最大限度地减少桥墩横向尺寸，在保证桥梁上部结构横向稳定性的前提下，不仅最大限度地为桥下留出横向净宽，而且可体现花瓶形桥墩刚劲纤细的美学效果。
　　第七阶振型表现为桥墩花瓶端两角对向扭转振动，自振频率为f7=32.476Hz。
　　第八阶振型表现为桥墩花瓶端两角同向扭转振动，自振频率为f8=33.638Hz。
　　第九阶振型表现为桥墩顶垫石反向翘曲振动，自振频率为f9=42.212Hz。
　　第十阶振型表现为桥墩顶垫石同向翘曲振动，自振频率为f10=42.317Hz。
　　第十一阶振型表现为桥墩顶垫石对角对称翘曲振动，自振频率为f11=42.460Hz。
　　第十二阶振型表现为桥墩顶垫石对角反对称翘曲振动，自振频率为f12=42.736Hz。
　　从预制墩前十二阶振动频率和振型可以看出，桥墩的纵向振动和横向振动交替出现，说明桥墩的墩高取值、横截面设计、墩身壁厚和花瓶端内的弯弧度等都较为合理，桥墩的侧顷振动出现的比较晚（第六阶），印证了桥墩抗侧顷刚度大的特点。从第九阶开始，桥墩均表现为垫石的局部翘曲振动，说明墩身整体刚度较大，同时也反映了预制桥墩有限元计算模型建立和边界条件设置正确，能正确反映出桥墩的动力特性。
　　3吊装阶段计算
　　吊装时，采用缆绳绑在花瓶墩上部实体段进行垂直吊装，因此只需检算墩身空心部分与上部实体段结合处的空心截面。
　　墩身挖空段截面面积：A=2.835m2
　　墩身挖空段自重：G=A×（9-2.6）＝2.835×6.4×26＝471.74kN
　　根据公桥通规（JTGD60-2004），墩身在吊装时，空心截面应力计算如下：
　　  <<桥梁博士>>---截面设计系统输出
　　截面高度:1.6m
　　构件计算长度:1.0m
　　荷载信息:
　　荷载类型:轴力(KN)剪力(KN)弯矩(KN-m)
　　结构重力-4720.00.0
　　动力系数1.2
　　计算信息:钢筋混凝土截面承载能力极限状态荷载组合I
　　计算结果:
　　荷载组合结果:
　　内力最大轴力最小轴力最大剪力最小剪力最大弯矩最小弯矩
　　轴力-472-566-472-472-472-472
　　剪力0.00.00.00.00.00.0
　　弯矩0.00.00.00.00.00.0
　　承载能力极限状态荷载组合I强度验算结果:
　　最大轴力强度验算
　　截面受力性质:轴拉
　　内力描述:Nj=-472KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-472KN(满足)
　　最小轴力强度验算
　　截面受力性质:轴拉
　　内力描述:Nj=-566KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-566KN(满足)
　　最大弯矩强度验算
　　截面受力性质:轴拉
　　内力描述:Nj=-472KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-472KN(满足)
　　最小弯矩强度验算
　　截面受力性质:轴拉
　　内力描述:Nj=-472KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-472KN(满足)
　　计算成功完成
　　从上述计算结果可知，预制墩在吊装过程是安全的。
　　4运输阶段计算
　　考虑预制场就在岛内，道路运输方便可行，预制墩构件出运原则上采取采用门机直接装平板车的形式，墩身平躺，沿墩身高度方向2点支撑。
　　墩身挖空段截面面积：A=2.835m2
　　墩身挖空段每延米自重：q=A×26＝2.835×26＝73.71kN/m
　　跨中最大弯矩：M=1/8×q×(9-2.6)2=377.4kN-m
　　根据公桥通规（JTGD60-2004），墩身在运输时，空心截面应力计算如下：
　　<<桥梁博士>>---截面设计系统输出
　　截面高度:1.6m
　　构件计算长度:1.0m
　　荷载信息:
　　荷载类型:轴力(KN)剪力(KN)弯矩(KN-m)
　　结构重力0.00.0377
　　动力系数1.2
　　计算信息:钢筋混凝土截面承载能力极限状态荷载组合I
　　计算结果:
　　荷载组合结果:
　　内力最大轴力最小轴力最大剪力最小剪力最大弯矩最小弯矩
　　轴力0.00.00.00.00.00.0
　　剪力0.00.00.00.00.00.0
　　弯矩377377377377453377
　　承载能力极限状态荷载组合I强度验算结果:
　　最大轴力强度验算
　　截面受力性质:下拉受弯
　　内力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=377KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=377KN-m(满足)
　　最小轴力强度验算
　　截面受力性质:下拉受弯
　　内力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=377KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=377KN-m(满足)
　　最大弯矩强度验算
　　截面受力性质:下拉受弯
　　内力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=453KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=453KN-m(满足)
　　最小弯矩强度验算
　　截面受力性质:下拉受弯
　　内力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=377KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=377KN-m(满足)
　　计算成功完成
　　从上述计算结果可知，预制墩在运输过程同样是安全的。
　　
　　5结束语
　　本文依托厦门高架BRT桥，采用少量桥墩进行分块预制设计，通过把市区内桥墩预制化，达到缩短现场作业时间、节省劳力，集中管理施工的目的。通过对本次设计成果的扩大，还考虑今后把范围扩展到更宽和更高的桥墩设计中，使得施工期间对周边环境及既有道路交通的影响尽量降到最低，同时加快施工进度。