津濱輕軌先鉸接后剛接的鋼-混凝土混合框架墩設計

摘　要:結合跨疏港公路立交橋下部結構采用鋼橫梁鋼筋混凝土墩柱組合框架墩結構,主要介紹框架墩的構造形式、計算模式、橫梁與柱先鉸接后剛接的連接形式以及施工方法等設計關鍵問題。關鍵詞:框架墩; 鋼橫梁; 鋼筋混凝土墩柱; 節點; 鉸接; 剛接
　　 1 　概述
既有疏港公路中央分隔帶寬1. 2 m ,中央分隔帶兩側各有12. 6 m 寬的快車道和4. 0 m 寬的慢車道;規劃疏港公路中央分隔帶加寬至2. 0 m ,兩側各有15. 0 m 的機動車道、3. 25 m 的非機動車道和0. 75 m 土路肩。框架墩跨度按規劃路面設計,而墩柱截面以不超出既有中央分隔帶為準設計。沿疏港公路連續布置4 個框架墩,上架5 22 m 簡支鋼混凝土結合梁。為達到公路部門的立交要求,框架墩的柱距達21. 0 m ,如墩柱與橫梁采用剛接的形式,則框架隅節點處的固端彎矩過大,控制設計,針對這個難題,采用了恒載鉸接活載剛接的結構形式。
2 　結構構造
框架墩的柱距21. 0 m ,橫梁采用鋼結構, 鋼筋混凝土立柱與鋼橫梁剛性連接。立柱采用矩形截面,縱向寬1. 7 m ,橫向寬1. 1 m ,其一位于疏港公路中央分隔帶內。柱頂1. 0 m 范圍四周外包鋼板,柱頂設一四周開橢圓形小孔、中央開0. 5 m ×0. 8 m 施工孔的鋼板,柱頂鋼板斜置,傾斜角度與鋼橫梁的梁端轉角一致。鋼橫梁采用單箱單室截面,梁高2. 248 m ,梁寬2. 0 m ,梁全長23. 5 m。鋼橫梁上、下翼緣板內側焊有縱向加勁肋,兩側腹板內側焊有2 道水平加勁肋,橫梁內每隔2 m 左右設1 道橫隔板,并且在頂梁平臺及支座位置增設橫隔板,隔板之間設豎向加勁肋,水平加勁肋沿全梁通長,遇有豎向加勁肋處將豎向加勁肋斷開,鋼橫梁斷面見圖1。鋼橫梁框架墩減小了結構的自重,可通過施工過程的控制實現計算假定 恒載鉸接、

圖1 　鋼橫梁斷面(單位:mm)

活載和溫度力剛接;另外,鋼橫梁采用吊裝施工,不必滿布支架,更好地保證了疏港公路的正常交通。鋼橫梁兩端上、下翼緣板對應立柱位置開0. 5 m ×0. 8 m 的施工孔,待混凝土澆筑完畢再用鋼板補齊。另外,鋼橫梁下翼緣板在靠近立柱附近開0. 5 m ×0. 75 m 的進人洞,設活動門。鋼橫梁下翼緣板對應立柱位置開橢圓形小孔及施工孔,開孔位置、尺寸均與柱頂鋼板一致, 連接鋼筋自小孔中穿出,鋼筋布置完畢后,把柱頂及鋼橫梁柱頂段澆筑成混凝土整體,以實現墩柱與橫梁的剛性連接。柱頂鋼板構造見圖2。
3 　結構計算
本設計采用恒載鉸接、活載剛接的計算模式,即施工時將鋼橫梁置于柱頂,只穿入節點連接鋼筋,暫不澆筑節點混凝土,此時橫梁與墩柱按鉸接計算;上部結構梁跨架設完成、二期恒載施工完畢后,自鋼橫梁頂板預留施工孔處澆筑節點混凝土,使橫梁與墩柱剛接,則運營階段的橫梁與柱是剛接的。鉸接的鋼橫梁在恒載作用下產生變形,為了盡可能地釋放墩梁節點處的橫向彎矩,柱頂作成斜面使柱頂與變形后的底板密貼。這種計算模式給施工帶來了一些麻煩,但大大減小了墩梁節點處的橫向彎矩,解決了柱頂截面不能抵抗恒、活載均固接時產生較大橫向彎矩的問題。

圖2 　柱頂平面鋼板構造示意(單位:mm)

鉸接時橫梁按簡支梁計算,剛接時采用北京大學結構工程軟件中心開發的《SAP84 結構分析程序》計算剛架的內力、變形。節點固接與恒載鉸接-活載固接的節點橫向彎矩分別為6 727. 19 、3 355. 55 kN· m 。實現以鉸接方式減小節點橫向彎矩的關鍵是使柱頂預留傾角與橫梁變形一致,如不一致,因柱頂對橫梁的支承面較大,仍將把橫向彎矩傳遞到墩柱上,不能起到完全釋放恒載彎矩的作用。梁端轉角 θA = Pab(L + b)/ 6 EIL 式中　P 作用在梁上的集中力; a 集中力作用點至A 端的距離; b 集中力作用點至B 端的距離; L 梁的跨度; E 抗彎彈性模量; I 梁橫截面慣性矩。計算梁橫截面慣性矩時,只計入上、下翼緣板,縱向水平加勁肋和縱向通長加勁角鋼,不計橫隔板和豎向加勁肋對橫梁剛度的影響。因梁端轉角的理論計算值與實際值之間可能存在偏差,計算時預留了一定的安全儲備。橫隔板必須是一個既能保持箱梁的截面形狀,又能合理地將支點反力傳給箱梁的結構。設計中對支點上承受集中反力的橫隔板做了構造上的特殊處理。其中包括減小橫隔板中央的檢查孔、在支點位置設豎向加勁肋與橫隔板形成十字交叉。支點橫隔板截面見圖3 。假定支點集中力自支座邊緣按45°角向橫隔板擴散,計算橫隔板的正應力和剪應力,計算方法詳見(日) 小西一郎編《鋼橋》(第二分冊鋼板梁) 。

圖3 　支點橫隔板截面示意(單位:mm)

　　框架墩基礎采用鉆孔灌注樁, 疏港公路管理部門要求中央分隔帶內的承臺要盡量小,以減小施工干擾。為了滿足這一要求且避免群樁橫向多排布置時在橫向、縱向彎矩(主要是橫向彎矩) 的合力作用下受拉區最外側的單樁承載力出現上拔力, 設計中采用3 根< 1. 5 m 的樁沿疏港公路單排布置, 避免了框架墩較大的柱底橫向彎矩對群樁的不利影響, 同時也滿足了公路部門的要求。
4 　施工方法
因涉及橫梁與墩柱連接體系轉換的問題,要求墩梁固接處的混凝土分階段灌筑,以實現設計目的,對鋼梁及柱頂鋼構件的加工要求也較高。首先,施工時兩側墩柱要精確定位,定位誤差不超過5 mm ;其次,鋼橫梁加工、柱頂鋼構件的加工,特別是柱頂鋼板的橢圓形孔和橫梁下翼緣板的橢圓形開孔位置應在滿足鋼結構制造規范的基礎上,盡量減小制造誤差。框架墩的施工方法詳見表1 。
我院在鋼混凝土混合框架墩設計過程中攻克了先鉸接、后剛接結構構造,體系轉換,施工控制等技術難題,結構設計新穎、技術先進、經濟效果突出。但是, 跨疏港公路立交橋的設計是在要求設計周期、施工周期都很短的背景下完成的,并且公路的路面形式、行車要求對框架墩的結構尺寸有很多不利的限制,設計時盡力使結構受力合理、施工快捷,并盡量減少對疏港公路正常交通的干擾。在更有利的背景續表1 條件下,相信這樣的結構可以設計得更合理、更簡潔。

表1 　框架墩施工順序