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摘要：文章以某城市改扩建桥梁为工程背景，介绍了整体式盖梁桥墩的设计方案和设计要点，并利用Midas Civil软件建立整体模型对桥墩进行受力分析，验证了其合理性，为同类型桥墩设计提供参考。
关键词：改扩建;整体式盖梁;桥墩设计
中图分类号：U443. 22文献标识码：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 035
文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0127 - 04
0 引言
随着经济的高速发展，我国进入到城市化发展的建设高潮，日益增长的交通量给城市道路的建设带来了巨大挑战，由此涌現出一大批改扩建道路项目。其中城市桥梁建设面临着扩建需求大、扩建空间小、景观要求高等设计问题，亟待解决[1]。
本文结合某城市改扩建桥梁工程中桥墩的设计，对整体式盖梁桥墩的设计方案、设计思路、方案计算进行探讨。
1 工程概况
1.1 原设计状况
某城市改扩建工程桥梁原上部结构为5x25 m先简支后连续小箱梁，原下部结构桥墩采用1.3 mx1.3 m双柱式方墩，预应力双悬臂盖梁，承台为7.2 mxs.2 mx1.8 m工字型承台，承台下设4根φ1.2m的桩基。原设计桥宽为31.5 m，双向六车道，原设计车速为80 km/h，原设计荷载公路I级。原桥标准断面如下页图1所示。
考虑到该桥所处道路为城市交通组织的关键通道，随着机动车数量的增加，该桥负荷严重，交通压力巨大。为缓解拥堵的交通，对该桥进行改扩建。
1.2 改扩建设计方案
改建后桥梁宽度扩宽至45.5 m，双向十车道标准，设计荷载、设计车速保持不变。
考虑到桥梁纵断面发生变化，经过方案比选，采用对上部结构和盖梁拆除重建，保留桩基、承台和墩柱的改扩建方案：即上部结构跨径与原桥梁跨径一致，仍采用5x25 m先简支后预应力连续小箱梁结构;下部结构拆除盖梁和立柱，利用原承台和桩基，两侧增加墩柱，通过整体式盖梁进行连接。改扩建后的桥梁标准断面如下页图2所示。
2 桥墩设计施工
2.1 结构尺寸
以该桥2#墩为例对桥墩的设计和计算进行介绍。
改扩建桥墩采用整体式预应力混凝土盖梁，原桥墩保留原桥梁桩基、承台，在旧承台及两侧各新增一个1.3 m（顺桥向）×1.8 m（横桥向）的立柱，立柱下设尺寸为2.5 mx6. 25 mx2.5 m的新承台，承台下为2根φ1.5 m桩基。桥墩立柱长6m，新桩与原桥桩长一致，均为端承桩，桩长55 m，持力层为中风化泥质粉砂岩。
预应力混凝土盖梁采用A类预应力混凝土结构，预应力钢束采用φ15 24 mm高强度、低松弛钢绞线。预应力管道采用金属波纹管，管道摩擦系数为0.16，管道局部偏差的摩擦影响系数为0.001 5/m。预应力钢束的张拉控制应力设计值1395 MPa。盖梁预应力钢束布置如图3所示。
2.2 桥墩施工
施工时先将原盖梁及墩柱切除，应保留钢筋并与墩柱新钢筋焊接伸入新建墩柱。
新建盖梁具体施工步骤为：（1）搭设支架浇筑盖梁，盖梁强度达到设计强度的100%后，张拉N3钢束;（2）拆除支架，然后架设小箱梁，先单幅架设完成后再架设另外单幅，待左右幅箱梁架设完成后张拉N2、N1钢束;（3）浇筑连续接头、桥面板湿接缝混凝土，张拉小箱梁顶板负弯矩钢束并压注水泥浆，进行小箱梁体系转换;（4）进行桥面铺装施工，注意各施工阶段左、右幅需同步。
3 桥墩计算
3.1 计算模型
整体式盖梁采用Midas Civil 2019软件建立模型，模拟其施工过程，进行有限元分析。
其中上部结构的作用通过上部虚拟梁进行模拟，用于加载上部结构作用力以及横向移动荷载。承台与桩基的连接通过刚性连接模拟。桩基与周围土体作用采用“m”法，根据地质资料计算得到土弹簧的模拟值。桩基为嵌岩桩，桩底边界条件考虑为固结[2]。计算模型见图4。
3.2 荷载作用
桥墩的主要荷载及作用组合如下：（1）恒载：主要有上部小箱梁自重、盖梁预应力、主梁连续后浇带自重及负弯矩区预应力、二期铺装荷载等，将上部恒载简化为集中力加载在盖梁相应位置处;（2）活载：汽车荷载标准为公路-I级，通过Midas Civil软件的横向移动荷载功能加载，本桥为双向十车道，横向折减由软件自动考虑;（3）温度荷载：整体升温、整体降温25℃，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 -2015）考虑温度梯度;（4）荷载组合：荷载组合根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 - 2015），由MidasCivil软件自动生成。
3.3 盖梁计算结果
盖梁计算根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362 - 2018）相关规定进行持久状态承载能力极限状态、持久状态、正常使用极限状态和持久状态构件应力验算等。
3.3.1 承载能力极限状态组合验算
盖梁构件的弯矩包络图、剪力包络图如图5～6所示。
由盖梁弯矩包络图（见图5）可知，盖梁的最大弯矩包络值为18 105 kN.m，小于其对应的抗力值33 590 kN·m;最小弯矩包络值为7 253 kN·m，小于其对应的抗力值19 389 kN.m。盖梁所有截面内力均满足规范要求。
由盖梁剪力包络图（见图6）可知，盖梁的最大剪力包络值为7 406 kN，小于其对应的抗力值11 446 kN;最小剪力包络值为7 709 kN，小于其对应的抗力值10 358 kN。盖梁所有截面内力均满足规范要求。
3.3.2 正常使用极限状态组合验算
盖梁正常使用极限状态下短期效应截面法向拉应力包络图、长期效应截面法向拉应力包络图和斜截面抗裂验算应力包络图如图7～9所示。
由图7～9可知，长短期组合下，应力均满足规范要求。
3.3.3 持久状态构件应力验算
盖梁持久状况实验阶段正截面主压应力包络图、斜截面主压应力包络图如图10～11所示。
由图10～11可知，正截面主压应力、斜截面主压应力均满足规范要求。
3.4 墩柱计算结果
取受力最大的墩柱进行偏心受压承载能力验算，在最小轴力工况和最大弯矩工况下桥墩的偏心受压情况，验算结果如图12～13所示。
由图12～13可知，桥墩立柱偏心受压承载力满足规范要求，且有较大的富余量。
3.5 桩基计算结果
桩基的弯矩图如图14所示，可知新建1.5m桩基的最大弯矩为1030.6 kN.m，原桥1.2m桩基的最大弯矩为314 kN.m。查阅图纸可知，新建桩基配置32根φ25 mm钢筋，原桥桩基配24根φ25 mm钢筋。经验算，桩基承载力满足规范要求。
由上述计算结果可知，改建后桥墩盖梁、墩柱及桩基均满足设计要求，结构较为安全。
4 结语
为适应社会的快速发展，城市桥梁改扩建项目越来越多，采用整体式盖梁的桥墩设计可利用既有下部结构，通过增大盖梁跨径、减少新增桩基数量，在施工和经济上有一定的优势。同时，通过有限元计算分析可知，该方案在技术上合理可行，可为同类型改扩建设计提供参考。
参考文献
[1]吴萍.洛三高速公路改扩建桥涵设计要点[J].中外公路，2011 ，31 （5）：164 -167.
[2]米春阳.大悬臂预应力盖梁桥墩设计探讨[J].交通运输研究，2012（8）：101 - 103。
作者简介：熊光前（1968-），工程师，主要从事桥梁建设施工、公路建设施工与监督、桥梁管理及检查维护、各种项目评审及验收工作。
关键词：改扩建;整体式盖梁;桥墩设计
中图分类号：U443. 22文献标识码：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 035
文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0127 - 04
0 引言
随着经济的高速发展，我国进入到城市化发展的建设高潮，日益增长的交通量给城市道路的建设带来了巨大挑战，由此涌現出一大批改扩建道路项目。其中城市桥梁建设面临着扩建需求大、扩建空间小、景观要求高等设计问题，亟待解决[1]。
本文结合某城市改扩建桥梁工程中桥墩的设计，对整体式盖梁桥墩的设计方案、设计思路、方案计算进行探讨。
1 工程概况
1.1 原设计状况
某城市改扩建工程桥梁原上部结构为5x25 m先简支后连续小箱梁，原下部结构桥墩采用1.3 mx1.3 m双柱式方墩，预应力双悬臂盖梁，承台为7.2 mxs.2 mx1.8 m工字型承台，承台下设4根φ1.2m的桩基。原设计桥宽为31.5 m，双向六车道，原设计车速为80 km/h，原设计荷载公路I级。原桥标准断面如下页图1所示。
考虑到该桥所处道路为城市交通组织的关键通道，随着机动车数量的增加，该桥负荷严重，交通压力巨大。为缓解拥堵的交通，对该桥进行改扩建。
1.2 改扩建设计方案
改建后桥梁宽度扩宽至45.5 m，双向十车道标准，设计荷载、设计车速保持不变。
考虑到桥梁纵断面发生变化，经过方案比选，采用对上部结构和盖梁拆除重建，保留桩基、承台和墩柱的改扩建方案：即上部结构跨径与原桥梁跨径一致，仍采用5x25 m先简支后预应力连续小箱梁结构;下部结构拆除盖梁和立柱，利用原承台和桩基，两侧增加墩柱，通过整体式盖梁进行连接。改扩建后的桥梁标准断面如下页图2所示。
2 桥墩设计施工
2.1 结构尺寸
以该桥2#墩为例对桥墩的设计和计算进行介绍。
改扩建桥墩采用整体式预应力混凝土盖梁，原桥墩保留原桥梁桩基、承台，在旧承台及两侧各新增一个1.3 m（顺桥向）×1.8 m（横桥向）的立柱，立柱下设尺寸为2.5 mx6. 25 mx2.5 m的新承台，承台下为2根φ1.5 m桩基。桥墩立柱长6m，新桩与原桥桩长一致，均为端承桩，桩长55 m，持力层为中风化泥质粉砂岩。
预应力混凝土盖梁采用A类预应力混凝土结构，预应力钢束采用φ15 24 mm高强度、低松弛钢绞线。预应力管道采用金属波纹管，管道摩擦系数为0.16，管道局部偏差的摩擦影响系数为0.001 5/m。预应力钢束的张拉控制应力设计值1395 MPa。盖梁预应力钢束布置如图3所示。
2.2 桥墩施工
施工时先将原盖梁及墩柱切除，应保留钢筋并与墩柱新钢筋焊接伸入新建墩柱。
新建盖梁具体施工步骤为：（1）搭设支架浇筑盖梁，盖梁强度达到设计强度的100%后，张拉N3钢束;（2）拆除支架，然后架设小箱梁，先单幅架设完成后再架设另外单幅，待左右幅箱梁架设完成后张拉N2、N1钢束;（3）浇筑连续接头、桥面板湿接缝混凝土，张拉小箱梁顶板负弯矩钢束并压注水泥浆，进行小箱梁体系转换;（4）进行桥面铺装施工，注意各施工阶段左、右幅需同步。
3 桥墩计算
3.1 计算模型
整体式盖梁采用Midas Civil 2019软件建立模型，模拟其施工过程，进行有限元分析。
其中上部结构的作用通过上部虚拟梁进行模拟，用于加载上部结构作用力以及横向移动荷载。承台与桩基的连接通过刚性连接模拟。桩基与周围土体作用采用“m”法，根据地质资料计算得到土弹簧的模拟值。桩基为嵌岩桩，桩底边界条件考虑为固结[2]。计算模型见图4。
3.2 荷载作用
桥墩的主要荷载及作用组合如下：（1）恒载：主要有上部小箱梁自重、盖梁预应力、主梁连续后浇带自重及负弯矩区预应力、二期铺装荷载等，将上部恒载简化为集中力加载在盖梁相应位置处;（2）活载：汽车荷载标准为公路-I级，通过Midas Civil软件的横向移动荷载功能加载，本桥为双向十车道，横向折减由软件自动考虑;（3）温度荷载：整体升温、整体降温25℃，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 -2015）考虑温度梯度;（4）荷载组合：荷载组合根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60 - 2015），由MidasCivil软件自动生成。
3.3 盖梁计算结果
盖梁计算根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362 - 2018）相关规定进行持久状态承载能力极限状态、持久状态、正常使用极限状态和持久状态构件应力验算等。
3.3.1 承载能力极限状态组合验算
盖梁构件的弯矩包络图、剪力包络图如图5～6所示。
由盖梁弯矩包络图（见图5）可知，盖梁的最大弯矩包络值为18 105 kN.m，小于其对应的抗力值33 590 kN·m;最小弯矩包络值为7 253 kN·m，小于其对应的抗力值19 389 kN.m。盖梁所有截面内力均满足规范要求。
由盖梁剪力包络图（见图6）可知，盖梁的最大剪力包络值为7 406 kN，小于其对应的抗力值11 446 kN;最小剪力包络值为7 709 kN，小于其对应的抗力值10 358 kN。盖梁所有截面内力均满足规范要求。
3.3.2 正常使用极限状态组合验算
盖梁正常使用极限状态下短期效应截面法向拉应力包络图、长期效应截面法向拉应力包络图和斜截面抗裂验算应力包络图如图7～9所示。
由图7～9可知，长短期组合下，应力均满足规范要求。
3.3.3 持久状态构件应力验算
盖梁持久状况实验阶段正截面主压应力包络图、斜截面主压应力包络图如图10～11所示。
由图10～11可知，正截面主压应力、斜截面主压应力均满足规范要求。
3.4 墩柱计算结果
取受力最大的墩柱进行偏心受压承载能力验算，在最小轴力工况和最大弯矩工况下桥墩的偏心受压情况，验算结果如图12～13所示。
由图12～13可知，桥墩立柱偏心受压承载力满足规范要求，且有较大的富余量。
3.5 桩基计算结果
桩基的弯矩图如图14所示，可知新建1.5m桩基的最大弯矩为1030.6 kN.m，原桥1.2m桩基的最大弯矩为314 kN.m。查阅图纸可知，新建桩基配置32根φ25 mm钢筋，原桥桩基配24根φ25 mm钢筋。经验算，桩基承载力满足规范要求。
由上述计算结果可知，改建后桥墩盖梁、墩柱及桩基均满足设计要求，结构较为安全。
4 结语
为适应社会的快速发展，城市桥梁改扩建项目越来越多，采用整体式盖梁的桥墩设计可利用既有下部结构，通过增大盖梁跨径、减少新增桩基数量，在施工和经济上有一定的优势。同时，通过有限元计算分析可知，该方案在技术上合理可行，可为同类型改扩建设计提供参考。
参考文献
[1]吴萍.洛三高速公路改扩建桥涵设计要点[J].中外公路，2011 ，31 （5）：164 -167.
[2]米春阳.大悬臂预应力盖梁桥墩设计探讨[J].交通运输研究，2012（8）：101 - 103。
作者简介：熊光前（1968-），工程师，主要从事桥梁建设施工、公路建设施工与监督、桥梁管理及检查维护、各种项目评审及验收工作。