框架墩（门架墩）设计构造、设计要点、计算……

近年来随着城市高架桥的大量建设和公路路网的密集,相交道路在平面上发生冲突的问题也就随之增多。为了不影响下方道路的使用,通常可采用的措施有:大跨径桥梁一跨跨越；利用下方道路的分隔带设置独柱或偏心桥墩；沿分隔带的方向在中间设置多柱桥墩,若道路为斜交,须采用斜交的上部结构；框架墩通过设置刚性横梁将墩柱放在路幅以外。框架墩的方案在美观上相对要差,给人节外生枝、不对称、不协调、力学上不平衡的感觉,对于有较高景观要求的桥梁,应尽可能避免使用。但框架墩在经济上和工期上有一定优势,如:某高速公路与地方道路斜交小于20°,早先的设计采用了110m跨的连续刚构,后因工期和经济等因素,经比较改为50mt梁,采用了三个框架墩,最大墩柱间距达24.5 m。框架墩因墩柱间距较大,通常将盖梁设计为预应力结构。框架墩与普通桥墩相比在构造与计算上有其特殊性。

  公路桥梁框架墩设计   

1  公路桥梁框架墩的构造形式

（一）框架墩构造形式需考虑的因素 框架墩构造形式的确定，需首先满足支承上部结构与净空尺度的要求。此外，还需考虑以下因素：结构形式、框架墩在纵桥向上的位置、墩梁的组合形式、框架墩各墩柱之间的相差高度、墩身的抗推刚度、横梁预应力束布置及各部分尺寸对美观的影响等。

（二）两种主要的构造形式及适用范围框架墩主要有两种构造型式： 一种是梁与墩固结，多用于高墩或连续粱的中间桥墩，其抗震性及主梁的抗扭性较好，但梁与墩固结受力复杂，需做空间受力分析，而且在施工时墩横粱和主梁需要同时浇注，影响了下方道路的正常运营，一般不采用墩梁固结的方式； 这种结构多用于桥面较宽盖梁跨度较大,且墩柱较高较柔的情况。 另一种是上部结构为连续梁或简支梁，在粱底设置支座，墩梁分离。

这种结构能适应横桥向及纵向主梁伸缩变形较大的情况，该型式受力明确，多用于简支梁桥或墩柱较矮的连续梁边墩。 根据第二种情况的受力特点，为提高横梁刚度和控制横梁挠度，改善横梁的受力状况，又衍生出将横梁做成变截面，将梁式结构改成桁架式结构，横梁加预应力，或将墩做成三柱或者多柱式墩等形式，这些构造形式多为前面两种基本形式的叠加与组合，仅受力分析上相对复杂而已。

框架墩通常不设系梁,因为框架墩通常跨度较大,且在温度和收缩徐变作用下对墩柱受力不利。框架墩的基础可根据地质条件采用浅基础或桩基础。桩基础可采用单根桩、单排桩或群桩。框架墩多为超静定结构,且盖梁刚度相对较大,对不均匀沉降比较敏感,很小的沉降(2mm左右)都可能使支点处的内力显著增加。因而尽可能选用沉降量较小的嵌岩桩或支承桩,如果不得不采用摩擦桩,则应进行桩基竖向位移验算。

2 公路桥梁 框架墩的设计要点

（一）确定合理的结构尺寸、横梁与墩柱的刚度匹配关系框架墩结构尺寸的选择,除了要考虑结构净空要求、建筑高度的限制、横梁预应力布置需要等因素外,还要重点考虑其横梁和墩柱的刚度匹配关系。刚度匹配不合理,就会带来一系列的问题,如结构内力、变形及隅节点应力较大等。

（二）上部结构竖向作用力的计算作用在框架墩上的竖向力主要为结构自重和汽车荷载,重力的计算较为简单,但汽车荷载的计算较为复杂。纵向计算时需根据影响线的形状,进行最不利位置的布载,并计入汽车冲击力。然后进行汽车荷载的横向计算。根据不同结构选用相应的计算方法:对于连续箱梁,可通过空间梁单元计算程序或空间梁格有限元程序计算；对于简支梁,需根据汽车的横向位置分别采用杠杆法或偏压法等方法计算,通常计算盖梁悬臂或边梁所处截面的内力时采用偏压法,计算盖梁跨中或中梁所处截面时采用杠杆法。

（三）上部结构纵向作用力的计算框架墩所受上部结构传递的纵向力主要有:汽车制动力、温度作用力、预应力混凝土上部结构在收缩徐变时产生的水平力、现浇施工时上部结构张拉预应力钢束产生的作用力等。在计算以及分配这些力时,需要先计算桥墩的抗推刚度。根据各墩的绝对刚度来计算上部结构变形引起的纵向力,如:温度力、预应力混凝土主梁收缩徐变产生的纵向力等。根据各墩的相对刚度进行某些力的分配:如汽车制动力。在计算桥墩的抗推刚度时,需计入基础与支座的串连影响,对于桩基础可采用m 法计算,对于橡胶支座可直接采用材料力学公式计算其剪切刚度。

（四）合理的预应力钢束布置框架墩盖梁预应力钢束布置特点是:由于盖梁及荷载的非对称及不均匀性,各截面所需配置的钢束差别较大,将钢束通长布置显得浪费。但若要截断则难于设置施工锚固点,因而将钢束部分布置在截面的中间位置。盖梁截面的剪力通常较大,钢束布置时尽可能利用弯起束的抗剪作用,将弯起的位置布置在剪力和剪跨比较大的位置,并采用较大的弯起角度。钢束的横向布置及其张拉顺序应尽可能对称,以免产生较大的侧弯。

（五）普通钢筋的布置框架墩盖梁的普通钢筋主要用于抗剪、抗扭及水平面抗弯，此外还需满足构造和最小配筋率的要求，如：桥规中规定部分预应力混凝土受弯构件中，普通受拉钢筋的截面面积不应小于0.003bh0。虽然预应力盖梁的截面应力在钢束作用下已满足强度要求，但通常布置的普通钢筋直径均在φ20以上，间距也较密，这主要基于以下考虑：用于结构抗裂；增加结构在地震时的延性；便于盖梁与墩柱特别是边柱的钢筋连接。特别值得注意的是：在地震荷载下盖梁与墩柱连接处的节点,易发生破坏,特别是外挑盖梁的节点破坏非常严重，宜加强节点处的布筋数量并注意连接方式。

   大跨度门架墩设计  

当两条线路交角小，其中一条线路须跨越 另一条线路时，如轨道交通、磁悬浮跨越城市道路（或公路、铁路），城市道路跨越城市道路、铁路等，在不中断交通的情况下，要满足限界及施工安全距离，上跨桥梁跨度一般很大，且桥梁上部结构须选择跨越能力大的钢结构，从而引起工程造价高、后期维护工作量大。另外一种解决方法就是选择门架墩跨越，上部结构选择预制小箱梁或空心板梁混凝土结构，一般采用吊机或架桥机架梁，架梁时间短，对既有运营线路影响小。

在下穿道路不宜搭设支架的情况下，大跨 度门架墩可采用钢－混凝土混合门架结构，即盖梁为钢结构，立柱为钢筋混凝土结构，盖梁工厂预制，立柱现场浇注。 在不中断下穿道路交通且可搭支架的情况下，大跨度门架墩盖梁可选用预应力混凝土结构、立柱为钢筋混凝土结构，同时，立柱与盖梁的连接方式可选用一端固接、一端先铰接后固接，或 一端固接、一端铰接的形式。

门架墩按照盖梁与立柱的连接方式，可分为全固接，一端固接、一端铰接。盖梁可采用预应力混凝土结构或钢结构，预应力混凝土盖梁搭设支架现浇，对交通的影响较大，钢箱盖梁可先在工厂预制，现场吊装，对交通的影响较小。

1 案例解析

某 工程在既有全互通立交基础上共增设８条匝道。受地下管线和现有立交主线、匝道影响，ＦＷＥ匝道和ＦＷＮ匝道分流口布设在既有的ＷＳ匝道上，见图１；ＦＷＥ匝道分流口小里程侧上部结构为一联２２ｍ＋２４ｍ＋２２ｍ变宽度钢筋混凝土连续箱梁，ＦＷＥ匝道分流口大里程侧和ＦＷＮ匝道上部结构分别为跨径２７ｍ、

２０．６２ｍ预应力混凝土简支小箱梁，因此，分流口处ＰＦＷＥ１０号桥墩设计为门架墩。 设计荷载：城－Ａ级，施工阶段温度１５℃，体系温度变化：±２５℃。

2  大跨度门架墩设计方案

门架墩柱间距（１０ｍ左右）较小时，盖梁与立柱一般采用全固接的混凝土结构。

门架墩柱间距（２０ｍ左右）很大时，称为大跨度门架墩，根据盖梁材料和盖梁与立柱的连接方式，有以下几种设计方案。

（１）方案１：先铰接后固接的钢－混凝土混合门架墩 为了减少对下穿道路正常交通的干扰，大跨度门架墩常采用钢－混凝土混合结构，即盖梁为钢结构，立柱为钢筋混凝土结构。

该方案混凝土立柱施工完成后，将工厂预制的钢箱盖梁吊装置于柱顶，此时盖梁与墩柱铰接，待上部结构梁跨架设完成、

二期恒载施工完成后，使钢箱盖梁与墩柱固接，则在恒载作用下，铰接的盖梁无疑大大减小了柱顶、柱底节点处横向弯矩，正常运营阶段结构需承受温度变化、活载作用下所产生的横向弯矩。

（２）方案２：一端固接、一端先铰接后固接的预应力混凝土门架墩 在不中断下穿道路交通的情况下，混凝土立柱施工完成后，搭设支架浇筑盖梁混凝土，并使一个立柱与盖梁固接，另一个立柱柱顶纵向扩大头上安放两块四氟板式橡胶支座，且该柱顶上方盖梁内混凝土后浇，然后张拉盖梁第一批预应力钢束，架设预制上部结构小箱梁，接着张拉盖梁第二批预应力钢束，铺筑桥面铺装和浇注防撞墙，最后浇注柱顶上方未浇注的盖梁混凝土，使立柱与盖梁固接。

（３）方案３：一端固接、一端铰接的预应力混凝土门架墩， 本方案适用条件同方案２，混凝土立柱施工完成后，搭设支架浇筑盖梁混凝土，并使一个立柱与盖梁固接，另一个立柱柱顶布置一个单向（横桥向）活动球钢支座，且盖梁纵向设置限位，然后张拉盖梁预应力钢束、铺筑桥面铺装和浇注防撞墙。

（４）方案４：全固接预应力混凝土门架墩本方案适用条件同方案２。为了便于同方案２、方案３进行比较，考虑盖梁混凝土浇注时将立柱和盖梁全固接的方案。

2 大跨度门架墩设计方案比选

本工程设计和施工周期短，工期紧，在不中断交通且下穿道路ＷＳ匝道允许搭设支架的前提下，ＰＦＷＥ１０门架墩立柱采用钢筋混凝土结构，盖梁不选择钢箱结构，而选择预应力混凝土结构。

立柱设计尺寸：１８００ｍｍ×１５００ｍｍ（横桥 向×顺桥向）。针对方案２，Ｂ柱柱顶顺桥向尺寸各增大５００ｍｍ，便于放置两块３５０ｍｍ×５００ｍｍ×５９ｍｍ四氟板式橡胶支座。盖梁尺寸：２０００ｍｍ×２０００ｍｍ（宽度×高度），同样，针对方案２，Ｂ柱柱顶处盖梁宽度扩大到３０００ｍｍ，以利于提供相应布置支座的空间和减少钢束从柱顶通过，便于施工。根据方案２～方案４盖梁与立柱的连接方式，分别建模运用“桥梁博士”软件进行计算，立柱柱顶、柱底轴力、弯矩（顺时针为负、逆时针为正）和盖梁内力（盖梁弯矩上缘受拉为负、下缘受拉为正）计算结果见表１～表６。

从表１～表６立柱柱顶、柱底内力、盖梁内力计算结果发现：

（１）恒载作用下，方案２～方案４立柱柱顶、柱底轴力相差不大，基本相同；但方案２、方案３相对方案４的横向弯矩减小较多，这说明改变门架墩立柱与盖梁的连接方式可大大改善立柱的受力状况。

（２）在汽车荷载和温度作用下，方案２、方案 ４立柱柱顶、柱底的轴力、弯矩相同，且温度对门架墩结构产生较大的横向弯矩，而方案３由于柱顶、柱底的轴力、弯矩相同，且温度对门架墩结构产生较大的横向弯矩，而方案３由于柱顶设置了一单向（横桥向）活动支座，Ａ柱柱顶、柱底节点由温度产生的轴力、横向弯矩很小，Ｂ柱柱底仅仅存在由支座摩阻力所产生的横向弯矩。

（３）表４中方案２～４Ａ柱、Ｂ柱的柱底轴力基本相同，但方案４横向弯矩最大，方案３最小，方案２位于两者之间。横向弯矩大，将大大增加立柱的配筋量，同时，需增大基础的工程量，如桩的根数。

（４）表５说明：方案４的盖梁正、负弯矩的绝 对值相差不大，基本相同。方案２比方案４的盖梁跨中弯矩有所增大、Ｂ柱顶处盖梁弯矩减少较多。方案３因一端铰接，Ｂ柱顶处的盖梁弯矩很小，相对方案４跨中弯矩增大很多。

（５）表６说明：在汽车荷载和温度作用下，方案２、

盖梁弯矩的绝对值相差不大，基本相同。方案３盖梁在汽车荷载作用下跨中弯矩较大，温度作用对盖梁产生的内力很小。

框架墩的计算

框架墩常见的构造形式 ：

(1) 上部结构为连续梁 ,梁与墩固结 ,见图 1 a。这种构造需要墩柱有足够的柔度 ,以免在盖梁横向 伸缩及主梁纵向伸缩时 ,在墩柱产生过大内力。它 多用于高墩或连续梁的中间桥墩 ,其抗震及对主梁 抗扭的作用较好。

(2) 上部结构为连续梁或简支梁 ,梁底或盖梁 底设置支座 ,见图 1b、c。这种结构能适应盖梁及纵 向主梁伸缩变形较大的情况。它们多用于普通简支 梁桥或墩柱较矮的连续梁边墩。

(3) 上部结构为连续梁或简支梁 ,墩柱数多于 两根 ,盖梁与墩柱固结 ,见图 1d。这种结构多用于 桥面较宽盖梁跨度较大 ,且墩柱较高较柔的情况。

(4) 上部结构为连续梁或简支梁 ,墩柱数多于 两根 ,盖梁与墩柱有固结也有铰接 ,见图 1e。这种 结构多用于桥面较宽盖梁宽度较大 ,但墩柱较矮或 墩柱间刚度相差较大的情况。

(5) 图 1f 、g、k 为城市高架桥较多采用的形式。其构造特点多为前面几种情况的叠加 ,但受力分析 相对复杂许多。为改善景观效果 ,对于简支梁常在 支点处采用牛腿。

框架墩通常不设系梁 ,因为框架墩通常跨度较 大 ,且在温度和收缩徐变作用下对墩柱受力不利。

框架墩的基础可根据地质条件采用浅基础或桩基 础。桩基础可采用单根桩、单排桩或群桩。框架墩 多为超静定结构 ,且盖梁刚度相对较大 ,对不均匀沉 降比较敏感 ,很小的沉降 (2 mm 左右) 都可能使支 点处的内力显著增加。因而尽可能选用沉降量较小 的嵌岩桩或支承桩 ,如果不得不采用摩擦桩 ,则应进 行桩基竖向位移验算。

计算与配筋 ：

作用在框架墩上的竖向力主要为结构自重和汽 车荷载  , 重力的计算较为简单  , 但汽车荷载的计算较 为复杂。纵向计算时需根据影响线的形状  , 进行最 不利位置的布载  , 并计入汽车冲击力。然后进行汽 车荷载的横向计算。根据不同结构选用相应的计算 方法  : 对于连续箱梁  , 可通过空间梁单元计算程序或 空间梁格有限元程序计算  ; 对于简支梁  , 需根据汽车 的横向位置分别采用杠杆法或偏压法等方法计算  ,  通常计算盖梁悬臂或边梁所处截面的内力时采用偏 压法  , 计算盖梁跨中或中梁所处截面时采用杠杆法。

若在计算时考虑主梁对桥面汽车荷载的传递作 用  , 则盖梁的内力计算往往比较繁琐  , 目前常用的计 算软件大多未提供自动布载的功能。经比较  , 如果 将一列汽车荷载按横向车轮的位置直接布置在盖梁 上  , 然后采用自定义的特殊移动荷载进行自动布载 计算  , 其内力结果与前述的计算方法相差不大 ( 通常 在  10 % 以内 ) , 对于主梁悬臂较小的结构差别更小  ,  从而简化计算过程。

在计算上部结构重力时  , 对于防撞栏或人行道 板的恒载  , 要进行合理的横向分配。因为该部分重 力作用较大  ( 防撞栏约为  7. 5 kN/ m , 人行道板约  5 kN/ m) , 对下部结构的内力  , 特别是盖梁悬臂处的 内力产生较大影响  , 如果简单地把重力分配在边梁 上、或平均分配给各片梁  , 会使得内力结果偏于危 险。较准确的方法是把它们的重量按各梁的横向分 配系数进行分配。

框架墩所受上部结构传递的纵向力主要有  : 汽 车制动力、温度作用力、预应力混凝土上部结构在收 缩徐变时产生的水平力、现浇施工时上部结构张拉 预应力钢束产生的作用力等。在计算以及分配这些 力时  , 需要先计算桥墩的抗推刚度。根据各墩的绝 对刚度来计算上部结构变形引起的纵向力  , 如  : 温度 力、预应力混凝土主梁收缩徐变产生的纵向力等。 根据各墩的相对刚度进行某些力的分配  : 如汽车制 动力。在计算桥墩的抗推刚度时  , 需计入基础与支 座的串连影响  , 对于桩基础可采用  m  法计算  , 对于 橡胶支座可直接采用材料力学公式计算其剪切刚 度。

由于框架墩墩柱布置通常不对称  , 各墩柱所受 竖向力差异较大  , 需考虑可能出现的不均匀沉降。当盖梁与墩柱间设置支座时  , 需适当考虑支座的压 缩变形。框架墩的计算还需计入温度荷载  , 除考虑整体 的升温与降温外  , 还需考虑可能出现的温度梯度  , 这 是因为许多框架墩的一部分位于桥面以外  , 受太阳 的直接照射。

结构内力计算： 框架墩通常为超静定预应力结构  , 在计算时多 采用平面杆系有限元程序。结构建模时  , 对于墩柱 高度较小 ( 小于  10 m)  或墩柱间高差较大的框架墩  ,  需计入桩基的横向柔度  , 否则可能出现墩柱横向弯 矩过大的情况。对于盖梁跨度较大墩柱较矮的多柱 框架墩  , 为了避免外侧墩柱因盖梁的弹性压缩、温度 和收缩徐变等变形引起过大横向弯矩  , 可设置单向 活动支座。

由于盖梁本身自重荷载所占比例较小  , 盖梁预 应力钢束需根据上部荷载的大小采用分批张拉。考 虑到施工方便  , 预应力钢束最好采用单端张拉。但 是对于较长或竖弯较多的钢束  , 采用单端张拉会造 成末端预应力损失过大  , 影响经济指标。

对于悬臂较大或墩柱间跨度较大的框架墩  , 应 计算盖梁的扭矩和水平面上的弯矩  , 扭矩主要是由 恒载偏心和桥面单侧移动荷载产生  , 水平面的弯矩 由上部结构作用在盖梁上的水平力产生。这两种内 力在普通桥墩盖梁计算时通常量级较小  , 可忽略不 计。但对某些类型的框架墩  , 其量级较大需进行考 虑。如  : 盖梁跨度较大  , 一侧墩柱在盖梁底设置单支 座的框架墩 ( 类似图  1e) , 由于支座位于盖梁几何中 心  , 不能抵抗扭矩  , 导致另一侧墩柱处盖梁扭矩增 大。对于盖梁支点位置的负弯矩  , 应按规范规定予 以折减  , 否则影响结构配筋的经济性。对于高跨比 较小的盖梁  , 还需考虑深梁效应。

框架墩盖梁预应力钢束布置特点是  : 由于盖梁及荷载的非对称及不均匀性  , 各截面所需配置的钢 束差别较大  , 将钢束通长布置显得浪费。但若要截 断则难于设置施工锚固点  , 因而将钢束部分布置在 截面的中间位置  , 如图  2 。盖梁截面的剪力通常较 大  , 钢束布置时尽可能利用弯起束的抗剪作用  , 将弯 起的位置布置在剪力和剪跨比较大的位置  , 并采用 较大的弯起角度。钢束的横向布置及其张拉顺序应 尽可能对称  , 以免产生较大的侧弯。

框架墩盖梁钢束布置图

框架墩盖梁的普通钢筋主要用于抗剪、抗扭及 水平面抗弯  , 此外还需满足构造和最小配筋率的要 求  , 如  : 桥规中规定部分预应力混凝土受弯构件中  , 普通受拉钢筋的截面面积不应小于  0. 003 bh 0  。虽 然预应力盖梁的截面应力在钢束作用下已满足强度 要求  , 但通常布置的普通钢筋直径均在Φ 20  以上  ,  间距也较密  , 这主要基于以下考虑  : 用于结构抗裂  ;  增加结构在地震时的延性  ; 便于盖梁与墩柱特别是 边柱的钢筋连接。特别值得注意的是  : 在地震荷载 下盖梁与墩柱连接处的节点  , 易发生破坏  , 特别是外 挑盖梁的节点破坏非常严重  , 宜加强节点处的布筋 数量并注意连接方式。

框架墩虽美观性不佳  , 但经济实用。在进行框 架墩设计时  , 应根据具体的条件合理选择结构形式  ,  在内力计算与布置钢束 ( 筋 )  时应注意框架墩在受力 上的特点。