高 党 利
(中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)
0 引言
随着现代交通日益发展，道路交叉不可避免，如公铁交叉、城市互通立交等。当夹角较小、空间有限时，要满足限界和施工安全距离，上跨桥梁跨度一般很大，上部结构可选择跨越能力大的钢结构或者连续刚构，但工程造价高，对道路展线空间要求大，另一种解决方案就是门架墩跨越，上部结构可选择常规跨径，既可缩短工期，又能减少投资。
1 结构概述
本项目门架墩为铁路上跨某主干道而设，道路宽19.0 m，与铁路夹角37°，为了减小门架墩跨径，顺着道路布置，对于铁路来讲属于斜交设置，如图1所示。门架横梁计算跨径30.5 m，横梁采用矩形截面，宽4.5 m，高2.5 m。门架墩下部采用墩柱接承台接桩基形式，墩柱采用矩形截面，顺路向宽4.5 m，横路向宽3.5 m。承台顺路宽7.6 m，横路宽5.8 m。每个承台下布置6根桩，桩径1.0 m，如图2所示。
门架墩横梁采用C50等级混凝土，容重为26 kN/m3，抗弯弹性模量为35 500 MPa，墩柱采用C40等级混凝土。墩柱中的普通钢筋主筋采用HRB400，主筋直径为32 mm，抗拉强度设计值为270 MPa。横梁预应力筋规格为15根一束的高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=195 GPa，公称直径为15.20 mm，其技术条件应符合GB 5224标准。钢束采用内径90 mm、外径104 mm的塑料波纹管成孔，采用真空辅助压浆工艺。张拉千斤顶采用YCW350B型。钢束摩阻系数采用0.25，偏差系数采用0.001 5，锚具变形一侧为6 mm。
2 结构计算
门架墩整体结构计算采用Midas Civil有限元程序，门架墩盖梁的结构类型为预应力混凝土结构，墩柱、承台、桩基采用普通钢筋混凝土结构。盖梁和墩柱均采用梁单元模拟。考虑桩基是否参与受力，对这两种计算模型进行静力对比分析。
2.1 有限元模型
1)模型1考虑桩基参与受力。
桩基按照等刚度原则进行群桩换算，保证换算杆件杆顶柔度与群桩顶相同，换算为纵横向门式杆件。计算模型离散单元数为68个，节点81个，离散图见图3。
2)模型2不考虑桩基参与受力。
按刚性地基假定，将承台底端考虑为固结。计算模型离散单元数为60个，节点65个，离散图如图4所示。
2.2 主要施工流程
1)搭设模板，浇筑预应力混凝土门架墩，混凝土的强度达到规范要求后，张拉第一批预应力钢束并灌浆。
2)完成第一批钢束张拉和灌浆后，分批吊装两孔32 m简支T梁。
3)吊装完两孔预制梁后，张拉第二批预应力钢束并灌浆。
4)完成第二批预应力钢束张拉和灌浆后，可以进行铁路桥面轨道结构、人行道及接触网柱等二期恒载的施工，最后形成成桥状态。
2.3 使用阶段信息
结合工程实际，根据规范要求，门架墩静力分析考虑的荷载有：结构自重(门架墩自重+铁路T梁重+二期恒载)、列车竖向静活载(双孔重载)、横向摇摆力、温度变化作用、混凝土收缩徐变、基础不均匀沉降、列车制动力、长钢轨纵向力(伸缩力、挠曲力、断轨力)、架桥机荷载等。为了模拟列车竖向静活载、二期恒载等对门架墩的作用效应，将铁路T梁的支座反力以集中荷载形式作用在门架墩上来模拟；基础不均匀沉降只考虑铅垂位移，沉降采用经验值10 mm(如地基岩性差，沉降还需根据实际计算取值)；温度变化作用考虑上部结构整体升降温+20 ℃。荷载最不利组合见表1。
表1 荷载最不利组合信息
3 门架静力分析结果对比
根据施工阶段荷载形式，多次调整预应力张拉批次及控制应力以满足施工阶段要求，篇幅有限不再赘述，且只对比主力+纵向附加力作用下横梁的正应力和墩柱弯矩受力情况，横梁的强度、主应力、挠度计算、预拱度设置、墩柱配筋及裂缝验算不再一一列出。
3.1 考虑桩基参与受力
1)门架墩横梁计算结果见图5,图6。
2)门架墩墩柱计算结果见图7。
由图5～图7可知：考虑桩基参与受力，横梁在主力+附加力作用下，下缘最小正应力为1.3 MPa，上缘最大压应力为12.0 MPa，均满足规范要求。墩柱为偏压构件，最大弯矩在墩底为34 539.3 kN·m，墩顶最大弯矩为22 684.9 kN·m。
3.2 不考虑桩基参与受力
门架墩横梁计算结果见图8。
此时横梁下缘出现1.0 MPa的拉应力，需重新调整配束，以满足规范要求。钢束调整为16根一束，并调试钢束张拉，满足施工阶段横梁受力规范要求。调整后门架墩计算结果为：
1)门架墩横梁计算结果见图9，图10。
2)门架墩墩柱计算结果见图11。
由图8～图11可知：在不考虑桩基参与受力情况时，且增加配束后，横梁在主力+附加力作用下，下缘最小正应力为0.7 MPa，上缘最大压应力为12.0 MPa，均满足规范要求。墩柱为偏压构件，墩底最大弯矩为175 613.8 kN·m，墩顶最大弯矩为33 822.9 kN·m。
4 结论
1)墩柱及横梁截面结构尺寸，除满足构造要求外，还需根据施工及成桥阶段反复试算合理确定。铁路对于桥梁的下部结构刚度要求较大，因此横梁需采用全预应力结构设计。
2)注意门架墩结构计算时，预应力钢束应分批张拉，防止横梁在架设铁路T梁和铺装二期前上拱，导致横梁上缘裂缝过大超规范要求。
3)基础不均匀沉降及温度变化作用对横梁和墩柱应力影响较大，需精准考虑。
4)对于地基土岩性较弱的门架墩结构，必须按照考虑桩基参与受力来设计，特别是大跨结构。就如上述计算结果，如不考虑桩基参与受力，门架墩墩身配筋会有墩底配筋过多，墩顶配筋不足，混凝土开裂的风险。横梁经过调束后，上拱会进一步加大。
5)桩基刚度对墩柱内力影响非常明显，墩柱的配筋需考虑桩基参与受力，并结合施工顺序，选取最不利组合时所产生的墩柱内力进行设计。如果门架墩正交设计，还需考虑不等跨时恒载偏差、单孔重载及制动力共同作用下墩柱横截面的配筋。
6)设计时需考虑周全，施工时严格按照设计执行，使设计模型与实际尽可能一致，从而保证门架墩建成后的运营更安全，更耐久。
