津濱輕軌先鉸接后剛接的鋼-混凝土混合框架墩設(shè)計

摘　要:結(jié)合跨疏港公路立交橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼橫梁鋼筋混凝土墩柱組合框架墩結(jié)構(gòu),主要介紹框架墩的構(gòu)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(shè)計關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞:框架墩; 鋼橫梁; 鋼筋混凝土墩柱; 節(jié)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(cè)各有12. 6 m 寬的快車道和4. 0 m 寬的慢車道;規(guī)劃疏港公路中央分隔帶加寬至2. 0 m ,兩側(cè)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(guī)劃路面設(shè)計,而墩柱截面以不超出既有中央分隔帶為準(zhǔn)設(shè)計。沿疏港公路連續(xù)布置4 個框架墩,上架5 22 m 簡支鋼混凝土結(jié)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(jié)點處的固端彎矩過大,控制設(shè)計,針對這個難題,采用了恒載鉸接活載剛接的結(jié)構(gòu)形式。
2 　結(jié)構(gòu)構(gòu)造
框架墩的柱距21. 0 m ,橫梁采用鋼結(jié)構(gòu), 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?qū)?. 7 m ,橫向?qū)?. 1 m ,其一位于疏港公路中央分隔帶內(nèi)。柱頂1. 0 m 范圍四周外包鋼板,柱頂設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)側(cè)焊有縱向加勁肋,兩側(cè)腹板內(nèi)側(cè)焊有2 道水平加勁肋,橫梁內(nèi)每隔2 m 左右設(shè)1 道橫隔板,并且在頂梁平臺及支座位置增設(shè)橫隔板,隔板之間設(shè)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(jié)構(gòu)的自重,可通過施工過程的控制實現(xiàn)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(yīng)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(shè)活動門。鋼橫梁下翼緣板對應(yīng)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(xiàn)墩柱與橫梁的剛性連接。柱頂鋼板構(gòu)造見圖2。
3 　結(jié)構(gòu)計算
本設(shè)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(jié)點連接鋼筋,暫不澆筑節(jié)點混凝土,此時橫梁與墩柱按鉸接計算;上部結(jié)構(gòu)梁跨架設(shè)完成、二期恒載施工完畢后,自鋼橫梁頂板預(yù)留施工孔處澆筑節(jié)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(chǎn)生變形,為了盡可能地釋放墩梁節(jié)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(jié)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(chǎn)生較大橫向彎矩的問題。

圖2 　柱頂平面鋼板構(gòu)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(xué)結(jié)構(gòu)工程軟件中心開發(fā)的《SAP84 結(jié)構(gòu)分析程序》計算剛架的內(nèi)力、變形。節(jié)點固接與恒載鉸接-活載固接的節(jié)點橫向彎矩分別為6 727. 19 、3 355. 55 kN· m 。實現(xiàn)以鉸接方式減小節(jié)點橫向彎矩的關(guān)鍵是使柱頂預(yù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角的理論計算值與實際值之間可能存在偏差,計算時預(yù)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(jié)構(gòu)。設(shè)計中對支點上承受集中反力的橫隔板做了構(gòu)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(shè)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(yīng)力和剪應(yīng)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(chǔ)采用鉆孔灌注樁, 疏港公路管理部門要求中央分隔帶內(nèi)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(qū)最外側(cè)的單樁承載力出現(xiàn)上拔力, 設(shè)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(zhuǎn)換的問題,要求墩梁固接處的混凝土分階段灌筑,以實現(xiàn)設(shè)計目的,對鋼梁及柱頂鋼構(gòu)件的加工要求也較高。首先,施工時兩側(cè)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(gòu)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(yīng)在滿足鋼結(jié)構(gòu)制造規(guī)范的基礎(chǔ)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(shè)計過程中攻克了先鉸接、后剛接結(jié)構(gòu)構(gòu)造,體系轉(zhuǎn)換,施工控制等技術(shù)難題,結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎、技術(shù)先進、經(jīng)濟效果突出。但是, 跨疏港公路立交橋的設(shè)計是在要求設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸有很多不利的限制,設(shè)計時盡力使結(jié)構(gòu)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(xù)表1 條件下,相信這樣的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計得更合理、更簡潔。

表1 　框架墩施工順序