大跨度预应力门架墩分析设计

文章以某高速公路项目大跨度预应力门架墩为研究对象，通过建立下部结构三维有限元分析模型，对桥墩盖梁在施工过程，以及桥梁使用阶段的受力进行分析，通过优化预应力盖梁构造尺寸、盖梁与立柱的连接形式，使得盖梁满足现行设计规范。

1工程概况
本桥为某高速公路上一座特大桥，桥梁全长2 221.5 m。

上部结构：左幅为11 m×30 m 装配式预应力混凝土先简支后连续箱梁+（35+55+35）m 双扁箱-钢混组合梁+2×27.5m+5×30.5 m+4×30 m+4×40 m +16×30 m+16×29.5 m+10×30 m 装配式预应力混凝土先简支后连续箱梁。

右幅为11×30 m+2×27.5 m 装配式预应力混凝土先简支后连续箱梁+（35+55+35）m 双扁箱-钢混组合梁+5×30.5 m+4×30 m+4×40 m+16×30 m+16×29.5 m+4×30 m 装配式预应力混凝土先简支后连续箱梁+6×30 m 装配式预应力混凝土简支箱梁，桥面连续。

下部结构采用柱式墩、矩形墩、柱式台钻孔灌注桩基础。

桥梁设计荷载，公路-Ⅰ级，标准桥面宽度为0.6 m （防护栏）+11.6 m（行车道）+0.55 m（防护栏）= 12.75 m。

本桥左幅第十三孔、右幅第十五孔跨越老边岗长城遗址，路线与老边岗长城遗址走向为右偏角32.09°，老边岗长城遗址为国务院公布的全国重点文物保护单位，保护范围为自边墙两侧各外延50 m，遗址范围内不允许设置构筑物。

图1为路线平面线位与遗址走向平面布置图。

由于总体路线走向受控因素较多，无法调整线位平面位置。

上跨老边岗遗址处，桥梁最大桥高约12 m，与路
摘要 文章以某高速公路项目大跨度预应力门架墩为研究对象，通过建立下部结构三维有限元分析模型，对桥墩盖梁在施工过程及桥梁使用阶段的受力进行分析，通过优化预应力盖梁构造尺寸、盖梁与立柱的连接形式，使得盖梁满足现行设计规范，为桥梁设计施工提供参考依据，并为同类工程提供参考。

关键词 大跨径门架墩；预应力；连接方式；设计中图分类号 TU208.5文献标识码 A
DOI 10.19892/ki.csjz.2023.16.37
Abstract In this paper, a large-span prestressed gantry pier of an
expressway project is taken as the research object, and through the establishment of a three-dimensional finite element analysis model, the stress of the pier cap beam during the construction process and the use stage of the bridge is analyzed. By optimizing the structure size of the prestressed capping beam and the connection form between the capping beam and the vertical column, the capping beam can meet the current design standard, and provide a reference for the design and construction of the bridge as well as for similar projects.
Key words large-span gantry pier; prestress; connection mode; design
随着国内高速公路的快速发展，线路走向控制因素增多，导致平面上不可避免地与既有构筑物、道路等控制因素交叉。

平面相交角度较小时，路线上跨困难，需采用大跨径的结构才能解决，若采用大跨径桥梁一跨跨越构筑物，会导致结构跨径过大，工程造价高，后期维护工作量大。

而采用门架墩跨越，可以有效缩短上部结构跨径，门架墩的方案在经济上和工期上有一定的优势[1]。

门架墩柱间距（20 m 左右）很大时，称为大跨度门架墩，需要增设预应力以满足其受力要求，而大盖梁的施工对于施工单位要求较高[1，2]。

作者简介：刘涛（1989-），男，工程师。

研究方向：桥梁设计。

作者单位：1.陕西省交通规划设计研究院有限公司；2.西安铁道技师学院
大跨度预应力门架墩分析设计
Analysis on the Design of Large-Span Prestressed Gantry Pier
刘 涛1 王 叶2
Liu Tao 1, Wang Ye 2
线平面斜交角度较小，中间老边岗遗址范围内禁止布设桥墩，若采用一孔上跨老边岗遗址，跨径将超过110 m，并且在桥梁景观上不协调，工程造价成本高，因此本次设计桥梁上部结构采用（35+55+35）m钢板组合梁错孔布设，上跨老边岗遗址，下部结构采用门架墩，盖梁计算跨径为46 m，属于大跨径门架墩。

桥墩采用矩形墩，桩基采用钻孔灌注桩基础（见图2）。

综合考虑桥梁上部结构形式、工程造价等因素，门架墩盖梁结构形式采用现浇预应力混凝土盖梁。

2大跨度预应力门架墩设计
2.1拟定门架墩构造尺寸
根据老边岗遗址保护范围要求，门架墩盖梁墩柱中心距为46 m，盖梁采用矩形截面，通过初步试算，盖梁高度取值4.5 m，宽取值3.2 m；墩柱采用矩形截面，顺桥向取值3.0 m，横桥向取值3.0 m。

2.2分析模型及计算参数
门架墩采用有限元软件建立三维空间模型进行分析计算，按实际墩柱尺寸建模，考虑承台和桩土的相互作用，在桩底固结约束，横桥向通过模拟端横梁传递桥面荷载，两幅桥间隙采用虚拟梁单元模拟，端横梁与盖梁之间采用弹性连接模拟上部结构支座。

综合考虑上下部结构形式，以及结构整体刚度，门架墩盖梁与立柱的连接方式采用以下三种：①全部固结约束；
②一端固结、一端铰接约束；③一端固结、一端滑移约束。

有限元分析模型盖梁与墩柱采用弹性连接模拟，分别模拟三种不同的连接方式。

恒荷载：钢板组合梁自重、二期恒荷载等按照实际位置加载。

活荷载：汽车荷载（先计算得出纵向单车道的效应，再按实际横向车道数及横向加载范围布载[3]），整体升降温，基础不均匀沉降。

图3为盖梁有限元分析模型，桥墩编号依次为1#墩柱、2#墩柱。

2.3分析结果
通过对比门架墩三种连接约束下，门架墩的内力结果，可知门架墩温度效应差异大，对墩柱配筋设计影响大，限于篇幅仅列出恒荷载、温度效应的结果，由表1可知盖梁与墩柱连接方式采用一端固结一端滑移，可以有效降低结构温度荷载效应。

由表2可知，门架墩三种连接约束情况下，盖梁恒荷载受力差异较大，两端固结约束相比于一端固结一端铰接、一端固结一端滑移，盖梁正弯矩较小，负弯矩较大，可以有效利用截面。

门架墩三种连接约束条件下墩柱受力差异较大，由表3可知，墩柱在相同的配筋率情况下，盖梁与墩柱的连接方式采用一端固结、一端滑移墩柱抗裂验算较容易满足规范要求。

图3　盖梁有限元分析模型（图片来源：设计文件及设计计算模型）
表1　温度荷载效应下门架墩控制截面内力
单位：kN·m 构件控制截面位置
弯矩
两端固结一端固结一端铰接一端固结一端滑移盖梁
1#支点18 335.2-5 438.20
跨中18 188.3 6 258.60.3
2#支点18 335.218 214.60.6
1#墩柱
柱顶-12 160.600
柱底 2 924.313 301.20
2#墩柱
柱顶12 160.612 770.10.6
柱底-2 924.3-531.10.6
路线设计线走向
4
56
7
5
m
保
护
范
围
遗
址
范
围
5
m
保
护
范
围
老边岗遗址走向
桥面宽度2 650
300
4
5
300
4 600
地面线
400400
160160160
160
3
3
5
路
线
设
计
线
图1　桥梁上跨老边岗遗址处平面布置图（图片来源：设计文件及设计计算模型）图2　门架墩横断面图（单位：cm）（图片来源：设计文件及设计计算模型）
由于门架墩结构刚度大，温度、收缩徐变，以及基础
不均匀沉降等引起的结构次效应较大，结合本次分析结果可知，下部结构刚度越大，约束越强，墩柱偏小弯矩效应越明显，进而导致群桩基础受力不均匀，不利于下部结构设计。

因此，综合考虑上下部结构受力，本次门架墩盖梁与墩柱连接设计采用一端固结，一端滑动约束，滑动端设置纵横向限位装置。

3大跨度预应力门架墩盖梁设计
3.1盖梁预应力钢束布置
根据确定的门架墩盖梁与墩柱连接形式重新进行结构分析，结合盖梁受力状态进行配束设计。

门架墩盖梁按照A 类预应力混凝土构件设计，混凝土等级为C55。

根据盖梁构造尺寸，布置45束23-φs15.2的低松弛高强钢绞线。

图4为盖梁钢束布置图。

3.2正截面抗弯强度验算
由图5可知，该桥盖梁在基本组合下跨中最大弯矩值为488 484 kN·m，根据配筋验算截面承载能力为601 782 kN·m，因此正截面抗弯验算满足要求。

3.3斜截面抗剪强度验算
由图6可知，该桥盖梁在基本组合下跨中最大弯矩值为35 121 kN，根据配筋验算截面承载能力为51 256 kN，因此斜截面抗剪验算满足要求。

3.4施工阶段混凝土应力验算
按照新《公路桥涵设计通用规范》（JTGD 60-2015）第7.2.8条规定，在预应力和构件自重等施工荷载作用下，截面边缘混凝土的法向应力应符合下列规定：压应
力σtcc ≤0.70 f ’ck ，拉应力σtct ≤0.70 f ’tk
[4，5]。

该桥施工时混凝土强度已达到标准强度90%，故压应力允许值 0.70 f ’ck =0.70×0.90×35.5=22.365 M Pa，拉应力允许值
300300
4 600（a）（b）
450348
2235
35
3535
4×20
3×80100
7535
4508×458×45430
430
图4　钢束布置图（单位：cm）（图片来源：设计文件及设计计算模型）
表2　恒荷载作用下门架墩控制截面内力
单位：kN·m 
表3　门架墩控制截面裂缝宽度验算结果
单位：mm
构件
控制截面
位置弯矩
两端固结一端固结一端铰接
一端固结一端滑移
盖梁
1#支点
-122 719 4 717-2 264跨中227 237305 737313 7962#支点
-122 719-92 855
-69 595
1#墩柱
柱顶100 41500柱底51 444-17 07002#墩柱
柱顶-100 415-83 606-67 331柱底
-51 444
-66 536
-67 331
构件
控制截面位置
裂缝宽度
两端固结
一端固结一端铰接
一端固结一端滑移
1#墩柱柱顶0.2100柱底0.160.2802#墩柱柱顶0.210.290.16柱底
0.16
0.14
0.16
图5　基本组合下弯矩包络图（单位：kN·m）（图片来源：设计文件及设计计算模型）
图6　基本组合下剪力包络图（单位：kN）（图片来源：设计文件及设计计算模型）
表5 频遇组合下混凝土抗裂验算表
注：单位为
MPa，拉应力为负值，压应力为正值。

项目
荷载效应允许值是否满足正应力
上缘最小 3.52-1.918是下缘最小-1.61-1.918是主拉应力
最小
-1.01
-1.37
是
表4 施工阶段混凝土应力结果
上缘最大
上缘最小
下缘最大
下缘最小
13.63
-0.50
14.30
-1.21
注：单位为MPa，拉应力为负值，压应力为正值。

表6 准永久组合下混凝土抗裂验算表
注：单位为MPa，拉应力为负值，压应力为正值。

项目
荷载效应允许值是否满足正应力
上缘最小
3.88
是
下缘最小
2.30
是
表7　标持久状况混凝土应力验算表
项目
荷载效应
允许值是否满足正应力
上缘最大16.2217.75是下缘最大12.7517.75是主拉应力
最大
16.29
21.3
是
注：单位为MPa，拉应力为负值，压应力为正值。

0.70 f ’tk =0.70×0.90×2.74= -1.726 M Pa。

由表4可知，该门架墩盖梁施工阶段混凝土应力满足要求。

3.5正常使用极限状态抗裂验算
3.5.1频遇组合下抗裂验算
由表5可知，该门架墩盖梁在频遇组合下的抗裂验算满足要求[4，5]。

3.5.2准永久组合下抗裂验算
由表6可知，该门架墩盖梁在准永久组合下未出现拉应力，抗裂验算满足要求[4，5]。

3.5.3持久状况混凝土应力验算
由表7可知，该桥在持久状况下混凝土应力验算满足要求[4，5]。

3.5.4正常使用极限状态挠度计算
按照新《公路桥涵设计通用规范》第6.5.3条规定，受弯构件在使用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响 [4，5]。

该桥盖梁采用C55混凝土，其挠度长期增长系数ηθ=1.412 5。

按照新《公路桥涵设计通用规范》第6.5.4条规定，预应力混凝土受弯构件由预加力引起的反拱值，应扣除全部预应力损伤，考虑长期增长系数，取值2.0[4，5]。

在荷载频遇组合下跨中最大挠度为69.189 mm，考虑长期增长系数为97.93 mm，预应力引起的反拱值为
50.49 mm，考虑长期增长系数为101.0，因此预加应力引起的反拱值大于按照荷载频遇组合计算的长期挠度，可不设置预拱度。

4结论
通过以上分析论证，门架墩盖梁墩柱的连接方式对盖梁、墩柱受力影响较大，结构采用弱连接方式，可以有效降低温度、收缩徐变、基础不均匀沉降产生的结构次效应，有利于下部结构设计。

通过优化盖梁墩柱的连接方式，使得本桥门架墩盖梁在承载能力极限状态、正常使用极限状态下，均能满足现行规范。

参考文献
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