城市高架桥双柱花瓶墩设计计算案例

摘要：随着城市的快速发展，城市高架桥已经成为现代化城市的重要标志之一。在高架桥梁中，双柱花瓶墩因其线型流畅美观等优点，被广泛应用。文章依托合肥市包公大道快速路项目，对双柱花瓶墩的设计及内力计算进行分析，为类似工程项目提供设计参考。

关键词：高架桥；双柱花瓶墩；设计计算

1引言

随着我国人民生活水平的提高以及城市的快速发展，城市道路交通量越来越大，某些大城市因为用地限制等诸多因素，原有道路拓宽改造困难，城市高架桥的出现，很好地解决了这一问题，既节约了用地空间，又很好地解决了交通拥堵等问题，且城市高架相较于隧道等地下结构，既可以大大节省工程造价，又能缩短建设周期。随着城市高架桥梁建设的日趋成熟，其上下部结构形式在满足受力要求的基础上，还要兼顾景观效果，故花瓶墩在城市高架桥中的应用越来越多。对于城市高架中的整体式主线桥，双柱花瓶墩在墩顶向两侧弧形扩头，一方面加大了支座间距，受力合理；另一方面占用地面空间少，空间利用率高。

2花瓶墩受力特点

桥墩主要承受上部结构传递下来的荷载，主要包括上部结构恒载、汽车活载、风荷载和温度荷载等，对于连续梁结构，还包含支座不均匀沉降荷载等。花瓶墩墩柱主要承受通过支座传递下来的竖向力，花瓶墩由于在墩顶向两侧弧形扩头，所以竖向力往往不在墩柱形心，因此在竖向力作用下，墩柱会产生弯矩，且在横桥向风荷载、离心力，顺桥向制动力、摩阻力等水平力的作用下，墩柱在顺桥向及横桥向均产生弯矩，故墩柱可按照双向偏心受压构件进行验算。对于有系梁的双柱式花瓶墩，因系梁主要承受轴向拉力和弯矩，故系梁可按照拉弯构件进行验算。

3案例分析

3.1工程概况

本文依托项目为合肥市包公大道工程，西起二十埠河，东至龙兴大道，全长约15.5km，规划为城市快速路。桥梁工程包括11.7km主线高架及三座互通立交。本文选取标准跨径3m×30m预应力混凝土连续梁桥下部结构中墩作为研究对象。

3.2下部结构桥墩设计方案

3.2.1墩柱形式方案比选根据上部结构的受力、外形特点并兼顾景观效果，高架桥下部结构一般采用柱式、板式、T型、Y型等样式的桥墩。包公大道主线高架采用整体式断面，横向双向六车道，高架横断面全宽25m，根据主梁横断面尺寸，主线跨线桥标准桥墩必须采用双柱式，因此本项目桥墩设计主要针对不同墩柱形式展开，按照前述原则选择一个与上部结构和整体环境协调的桥墩形式。通过比选，双柱花瓶式桥墩较为通透，流线形的桥墩顶部与上部结构鱼腹式混凝土梁曲线自然顺畅过渡，上下呼应，适当的线形收腰富有变化和创新，外侧设置圆弧倒角使墩柱显得轻盈活泼，与上部结构协调较好。故主线整体式标准断面采用双柱花瓶式桥墩。

3.2.2结构尺寸设计主线桥标准桥墩采用钢筋混凝土双柱花瓶式桥墩，墩柱为矩形截面，墩柱底截面顺桥向尺寸为1.8m，横桥向尺寸为1.7m，墩柱顶部纵向扩头，标准段中墩顶截面顺桥向尺寸为1.8m，横桥向尺寸为2.2m。根据道路绿化带宽度，在预留足够的侧向安全净宽的基础上，标准段双柱墩的柱间距为5.3m。标准跨径桥墩基础主要采用4根直径1.6m钻孔灌注桩。下部结构桥墩详细构造见图1所示。

3.2.3桥墩支座间距设计下部结构支座间距布置，对桥梁上下部结构的受力计算至关重要。对上部结构抗倾覆设计来说，较大的支座间距有利于提高抗倾覆系数，使桥梁上部结构抗倾覆安全储备增大。但是较大的支座间距，需要较大的柱间距，因此地面道路需要预留足够宽度的绿化带空间以便布置桥墩，这又不利于桥下地面道路空间的利用。且不同的支座间距，墩柱受力也将不同。因此在设计中，往往不能无限制增大支座间距，而应该选取合适的支座间距，使桥梁结构受力合理，且能有效利用桥下地面空间。针对本项目的实际情况，初拟了三 种支座间距，分别为5.3m、6.0m以及6.7m。通过计算在不同支座间距下，墩柱的受力情况以及上部结构的抗倾覆系数，从而选取较为有利的支座间距。下部结构采用桥梁博士（版本号4.2）软件进行计算，墩柱与系梁之间采用刚臂连接。上部结构恒载通过支座反力以集中力的形式作用在对应的支座位置，上部结构活载通过建立虚拟横梁，模拟活载横向布置，虚拟横梁与墩柱之间在支座对应位置采用主从约束连接，由于本文主要研究对象为墩柱，故计算模型未考虑承台和桩基部分。计算模型如图2所示（虚拟横梁未显示）。通过改变支座间距，计算得到了不同支座间距下，墩柱与系梁连接处墩柱弯矩M1、墩柱底截面弯矩M2、墩柱底截面最大轴力F、系梁最大正弯矩ML(+)、系梁最大负弯矩ML(-)以及上部结构抗倾覆系数Q等参数如下表所示。由上表可知，随着支座间距增大，墩柱与系梁最大弯矩先减小再增大，支座间距为6.0m时，墩柱与系梁最大弯矩均较小；随着支座间距增大，抗倾覆系数线性增大，但是墩柱最大轴力基本保持不变。综上，选择6.0m支座间距时，墩柱与系梁受力较为合理，故本项目标准段下部结构支座横向间距为6.0m。

3.3墩柱配筋验算

在上述模型的基础上，考虑墩柱纵横向水平力后计算得到的墩柱内力结果即可作为配筋验算设计值。桥梁下部结构所承受水平力主要包括摩阻力，制动力，温度力，混凝土收缩徐变引起的水平力，风荷载，曲线桥离心力以及纵横向地震力等。在上述水平力及上部结构传递下来的竖向力的共同作用下，墩柱受力模式为双向偏心受压构件。通过建模计算，本算例在荷载基本组合下，墩柱最大横桥向弯矩为14106.1kN•m，墩柱最大顺桥向弯矩为7697.8kN•m，墩柱最大竖向轴力为22974.3kN。系梁最大弯矩为7919.3kN•m，系梁最大竖向剪力为3591.8kN，系梁拉杆最大拉力为2014.8kN。根据计算结果，墩柱配筋采用双层直径28mm竖向主筋沿墩柱截面四周均匀布置，布置间距约10cm；墩柱箍筋采用直径12mm钢筋（标准段）或直径16mm钢筋（扩头段），箍筋肢数为8肢。系梁顶面主筋采用三层直径28mm钢筋均匀布置，系梁底面主筋采用单层直径28mm钢筋均匀布置，布置间距约10cm，系梁箍筋采用直径12mm钢筋，箍筋肢数为6肢。

4结语

随着桥梁建设的快速发展，桥梁景观要求越来越重要，并且随着城市现代化飞速发展，高架桥建设日趋常态化，桥梁设计工作者将面临各种样式的花瓶墩的设计计算。本文依托实际工程，从尺寸设计，支座间距选取及配筋验算等方面，对花瓶墩的构造设计提供了一些参考。

参考文献

[1]戴世宏,费梁.浅谈花瓶墩的设计与计算[J].交通标准化,2008(09)68-71.

[2]JTGD60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[3]JTG3362-2018,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

作者：肖溢华 单位：合肥市市政设计研究总院有限公司