摘要：
城市大悬臂盖梁桥墩当桥墩较矮时设计难度增加，本文通过总结双柱大悬臂盖梁桥墩在不同荷载工况作用下的效应变化趋势，来为城市大悬臂盖梁桥墩的设计提供参考意义。可以通过避免过矮桥墩、降低桥墩横向尺寸和变双柱为独柱等方法降低设计难度，此外也可以通过设置外撇桥墩、设置桥墩系梁和增加承台埋置深度等措施改善桥墩受力。
由于城市桥梁对造型、通透性和净空要求较高，因此经常采用大悬臂盖梁桥墩，常见双柱墩和独柱墩，而以双柱墩更为常见，独柱墩经常用于桥墩较矮、对通透性要求较低的情况。双柱墩墩高对桥墩设计难度影响较大，对与高墩，设计难度不大，比如成都市二环路很多这种形式的桥墩；但是对于矮墩（本文定义5m及以下为矮墩），设计难度有所增加。本文以大件路快速化改造工程建设项目为项目依托，对城市大悬臂盖梁双柱矮墩设计要点进行阐述。
本项目起于双流与高新区交界处，止于双流与新津交界处，兼有快速通道、城市多通道及居民出行等多重功能。全长17.575km，全线共有11个节点，本次改造10个节点，仅云岭路（节点11）不改造。其中9号节点为长兴路上跨桥，该桥设计荷载为公路-Ⅰ级，设计基准期为100年，设计速度80km/h，双向六车道，跨径布置为: (2×25+30)小箱梁+3×30+(30+45+30)钢箱梁+3×30小箱梁+(30+2×25)小箱梁。标准跨度梁段采用30m和25m简支小箱梁，梁高1.7m和1.5m；非标准梁段采用连续钢箱梁，下部结构采用大悬臂盖梁，桥墩采用独柱和双柱矩形墩，基础采用桩基础。本项目墩高均小于5m。
大悬臂盖梁双柱墩的盖梁（两柱之间部分）、桥墩以及承台三者构成一个闭合框架，是个超静定结构，桥墩高度对自身内力影响较大，盖梁与桥墩之间的连接模拟方式不同对应不同的有效墩高，因此有必要去探究合理的模拟方式。
关于盖梁与桥墩之间的连接模拟，有两种方法。第一种方法是桥墩上部连接至盖梁形心，深入盖梁部分的墩柱赋予无重量的材料，仅保留桥墩材料的刚度；第二种方法是桥墩上部连接至盖梁底。下面分别按两种方法进行建模分析。
该大悬臂盖梁模型采用梁单元模拟，其中盖梁和桥墩采用C50混凝土，承台采用C35混凝土模拟，上部荷载通过虚拟横梁传递到支座。其中单元数为33个，节点数为38个。盖梁与桥墩之间以及桥墩与承台之间采用弹性连接的刚性模拟，承台底采用一般支承模拟，支座采用弹性连接模拟。
由上面弯矩云图可以看出，在墩梁连接处，升温作用在盖梁上产生顺时针方向1882.3kN·m的弯矩，在墩顶产生逆时针方向1854.8kN·m的弯矩，两者相当；恒载+预应力作用使得盖梁与桥墩连接处的左侧产生10760.5kN·m的逆时针方向的弯矩，在右侧产生7849.3kN·m的顺时针方向弯矩，在墩顶产生2661kN·m的顺时针方向弯矩，顺时针方向弯矩之和为10510.3kN·m，与逆时针方向的弯矩相当。该种模拟方法与材料力学的节点力矩平衡相一致。同样查看第二种模拟方式在同样荷载工况作用下的节点弯矩，发现并不满足节点力矩平衡。
两种模拟方法除了在墩顶产生的弯矩不同外，在墩柱产生的剪力也不相同。
由上图可以看出，通过刚臂将盖梁与桥墩在墩顶位置连接（方法二），桥墩剪力显著增大。
为了探讨哪种方法更符合真实情况，笔者应用MIDAS FEA软件，建立了详细的有限元模型，并对在预应力工况作用下的杆系单元模型和实体单元模型的墩顶位移进行了比较。
图7 实体单元模型在预应力作用下墩顶的
水平位移云图（mm）
图8 杆系单元模型在预应力作用下墩顶的
图9 杆系单元模型在预应力作用下墩顶的
水平位移云图（方法二）（mm）
由上面三幅图可以看出，实体单元模型在预应力作用下墩顶的水平位移为（0.077+0.0233）/2=0.05mm，方法一杆系单元模型相应位置位移为0.018mm，方法二杆系单元模型相应位置位移为0.071mm。
1）通过与实体有限元模型对比，方法二的模拟方法桥墩刚度更接近事实，故推荐方法二。
2）方法一虽然满足节点力矩平衡，但是墩顶实际上已经深入盖梁，与实际不符，相应的力矩也无意义，故推荐方法二；
3）方法二相比方法一桥墩剪力更大，相应的弯矩就更大，采用方法二设计更保守；
下面对不同墩高在各种作用下产生的横向弯矩和剪力做计算统计。
由图2可看出，随着墩高的降低，在各作用下桥墩剪力均有所增加，其中预应力作用下桥墩剪力增加接近线性，在升降温作用下桥墩剪力在墩高2m附近剪力显著增加，在恒载作用下桥墩剪力在墩高2.5m附近变化显著。
由图3可以看出，在各作用下桥墩弯矩随着墩高增加而降低，其中升降温作用下桥墩弯矩接近线性变化，再恒载作用和预应力作用下在墩高2m附近略弯矩有波动，在墩高大于2m以后，接近线性变化。弯矩（绝对值）最大部位根据作用工况不同发生位置不同，升降温作用弯矩最大值发生在墩底，恒载和预应力作用下弯矩最大值发生在墩顶，不管哪种工况，在墩高一半位置附近都有反弯点。
由上面分析可以看出，随着墩高的降低——尤其2.5m以下墩高，桥墩的剪力和弯矩都显著增加，对桥墩的设计要求较高。
前面考虑的是桥墩横向的内力，桥墩的横向内力与横向线刚度[1]关系密切，由线刚度公式K=EI/L知，桥墩横向尺寸的变化对桥墩横向惯性矩I的变化速度影响较快，是三次方的关系，而桥墩纵向尺寸不仅对I的影响较慢，且往往需要与盖梁相匹配，故本设计不对桥墩纵向尺寸做研究。接下来以2m高桥墩为例对不同横向尺寸桥墩和内力的关系做计算和统计。
由图4可以看出，各作用下桥墩剪力随着截面高度的增加而增加，且都接近线性变化，其中恒载作用对剪力增加的变化速度最快。
由图5可以看出，各作用下桥墩弯矩随着截面高度的增加而增加，且都接近线性变化，其中恒载作用对弯矩增加的变化速度最快，升降温作用对弯矩的增加变化最慢。
由上面分析可以看出，随着桥墩横向尺寸的增加，桥墩的剪力和弯矩都显著增加，随之也提高了桥墩的抗剪、抗弯承载力要求，甚至会增加桥墩的裂缝宽度。
那我们是否可以通过减小桥墩截面尺寸来降低桥墩设计难度？答案是不一定。
图14 桥墩截面高度1.5m的PM曲线图
图15 桥墩截面高度1.3m的PM曲线图
由上面两种桥墩截面高度的PM曲线图可以看出，降低截面高度会降低桥墩的受压承载力——桥墩设计的另一项关键指标。由此我们可以得出结论：桥墩截面尺寸的选择应该综合考虑其抗剪承载力、裂缝宽度和受压承载力要求，截面尺寸过大，抗剪承载力要求较高，截面尺寸过小，受压承载力有可能不能满足。
当降低桥墩截面尺寸后仍然不能满足设计要求后，独柱墩作为一个方案被提了出来。在杆系单元模型中，双柱墩变为独柱墩后不再有抗剪问题，完全变为偏心受压构件问题。为什么会这样？实际上剪力仍然存在，只不过剪力转化为横向压力，在杆系模型中由于无法考虑垂直于杆系方向的压力问题，所以让人误以为剪力消失了。下面笔者用实体有限元模型来对比双柱墩与独柱墩的区别。
由上面位移云图可以看出，在预应力作用下，双柱墩墩顶水平位移为0.077mm，其他条件不变，将双柱墩中间空隙填实变为独柱墩后，墩顶的水平位移减小为0.0494mm。为了方便对比，我们可以认为在双柱墩中间的空隙部分塞入只接触不结合的混凝土块，那么塞混凝土块前后桥墩的剪力是变小了的——根据V=K△（其中K为桥墩的剪切刚度，△为墩顶的水平位移），塞混凝土块前后墩顶水平位移△减小，不难得出这个结论。
那么剪力减小的部分去哪里了？转化为中间混凝土块段压力了，实际上是转化为桥墩和中间混凝土块的压力了。由抗剪承载力公式知，为了提高混凝土柱的抗剪承载力需要增加箍筋的配置，但是一旦剪力过大，提高箍筋的配置[2]已经不再经济甚至是不可操作的，此时转换为独柱墩，将抗剪问题转化为抗压问题，问题就好处理多了，因为混凝土的抗压能力是很强的。
以上说的是独柱墩的优点——降低设计难度，与此同时，独柱墩也带来一定的缺点，最显著的就是通透性较差。但是由于桥墩墩高较低，且和墩柱横向距离较近的双柱墩比较，其通透性差的影响也是可以接受的。
由上面计算简图可以看出，盖梁在各作用下产生的水平力P传递到桥墩上，由于桥墩与P不是垂直关系，故P在桥墩产生的剪力为Pcosθ，θ为两桥墩分开的角度的一半，也就是说桥墩分开的越大，桥墩受到的剪力越小。通过设置合适的分开角度，能够有效的降低桥墩受到的剪力。当然，该种方式还能够减小悬臂长度，降低盖梁设计难度。典型代表就是成都一环路沙湾路口桥。
由上面计算简图可以看出，系梁以上部分桥墩类似外撇桥墩，剪力不大，系梁以下部分桥墩如果没有系梁的支撑作用将产生较大的剪力，而系梁的设置则能够平衡这一剪力，同时能够保证一定的通透性。典型代表就是成都二环高架大悬臂盖梁桥墩。
该方法认为土对桥墩的约束作用较小，如果地面以上桥墩高度只能做到3m，而又不想做成独柱墩，那么可以考虑增加墩底入土深度，变相的增加桥墩的实际高度。
本文的结论与建议仅针对普通的城市大悬臂盖梁双柱矮墩，对于其他特殊情况应特殊分析。
1）在各种荷载工况作用下，桥墩弯矩和剪力随着墩高的降低都有所增加，尤其当墩高低于2.5m左右时，双柱矮墩设计难度显著增加；
2）在各种荷载工况作用下，桥墩弯矩和剪力随着桥墩截面高度（横向尺寸）减小有所减小，但是受压承载力也相应的减小，应综合考虑桥墩的抗剪承载力、裂缝宽度和受压承载力来选择桥墩截面尺寸；
3）本文对大悬臂盖梁双柱矮墩的设计提出了一些解决方案，包括采用独柱墩、采用外撇桥墩、设置桥墩系梁和增加承台埋入深度等，可供桥梁设计人员参考。
摘要： 该项目一是在既有公路中设置中央墩大悬臂盖梁，作为高速公路主线桥梁下部结构，减少旧路、旧桥加宽改造带来的征拆问题；二是在高速公路设计方案中适当提高桥梁占比，为城镇密集区开辟出桥下空间。 适用于 穿越城镇密集区，在城市化程度高、城市地少人多的区域建设的公路项目
节地效果： 相比于同类型公路项目，节地1800亩。
（一）项目概况
广东省中山市西部外环高速公路纵向贯通中山市西部地区，路线总长约71.142公里，全线桥梁占比达到95%以上。项目所在的中山市城镇化程度高，对桥下空间综合开发利用的要求高，征地拆迁实施难度大。西环高速主线与现状古神公路一期共线段长度约40公里，考虑到古神公路两侧存在高压燃气管线、高压线、给水管、园林、花木等重要地物，为尽量少增新征用地，降低项目实施难度和风险，节约土地资源，采用在古神公路中分带设置独墩大悬臂盖梁作为高速公路主线桥梁下部结构的方案。
（二）主要做法
1.主要做法： 原古神公路一期工程以双向四车道一级公路标准建设，设计时速100公里/小时，中分带宽度2米，硬路肩宽度3米。西环高速主线采用中央墩大悬臂盖梁形式落于原古神公路一期中央分隔带上，中分带由2米扩宽至4米，考虑两侧波形护栏各40厘米，中央墩身横桥向尺寸仅为3.2米，为满足桥墩受力要求，桥墩尺寸需在顺桥向加大。中央墩大悬臂盖梁方案实施难度小，社会效益程度高。
2.模式特点：
（1）中央墩大悬臂盖梁最大单悬臂达到15米，为国内同类型桥梁最大悬臂长度，桥墩、盖梁构造处理、受力分析具有一定创新性,同时保证了行车净空和行车视距，保障了城市居民出行安全；
（2）在既有道路上高架时提出只将中分带加以拓宽改造和车道进行重新划分，最大程度上节约占地，同时可避免旧路、旧桥加宽改造带来征拆问题，降低了征地拆迁成本，避免了因征拆产生的社会矛盾；
（3）对于新建项目，采用中央墩大悬臂盖梁方案可最大程度上节省桥下用地，对桥下空间的综合利用开发具有很强的经济效益，同时增加了桥下通透度，有助于缓解城市交通流量压力。
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