高速公路双悬臂门架墩设计优化与力学分析

高速公路双悬臂门架墩设计优化与力学分析

黄正猛张建平

云南九达交通建设有限公司  云南昆明 650000

摘要：随着我国交通运输行业的持续发展，为高速公路建设带来了机遇与挑战。因跨越地物、河流等需求，下部构造中不可避免需设置门架墩。而双悬臂门架墩是其中应用较广的一种结构形式，其设计优化和力学分析对于提高桥梁性能和行车安全至关重要。目前，双悬臂门架墩虽已有一些研究及应用成果，但其设计与分析方法仍存在结构性能优化不足、施工难度大、维护成本高等问题。本文旨在探讨双悬臂门架墩的设计优化与力学分析，为解决这些问题提供新思路和方法。

关键词：双悬臂门架墩 设计优化 力学分析

一 引言

双悬臂门架墩作为高速公路桥梁的重要特殊构件，承担着桥梁跨越河流、道路时的支撑作用。其结构特点在于通过设置双悬臂结构，实现对上部结构的稳定支撑，同时具备良好的变形能力和承载能力。在高速公路桥梁中，双悬臂门架墩广泛应用于大型互通立交、特大桥等关键节点，对于保障桥梁的整体稳定性和行车安全具有重要意义。

二 设计原则与参数分析

2.1 设计优化的基本原则

2.1.1 安全性原则

在设计过程中，必须确保结构在各种使用场景下都能保持足够的强度和稳定性，以满足高速公路上的交通需求。这要求在设计时充分考虑各种荷载组合，包括恒载、活载、温度效应等，确保结构在各种情况下都能安全运行。

2.1.2 经济性原则

在满足安全性的前提下，应尽可能地降低结构成本，提高经济效益。这包括选择合理的材料、优化结构尺寸、减少施工难度等。通过经济性分析，可以找到最符合成本效益的设计方案。

2.1.3 美观性原则

在设计过程中，应注重结构的外观造型和色彩搭配，使其与周围环境相协调，提高整体景观效果。

2.1.4 可持续发展原则

包括选择环保材料、优化结构形式以减少对自然资源的消耗、考虑结构的可维护性和可替换性等。通过遵循可持续发展原则，可以为未来的桥梁建设和社会发展做出贡献。

2.2 结构性能影响因素分析

2.2.1 材料性能

不同的材料具有不同的力学性能和耐久性。因此，在选择材料时，需要充分考虑其强度、刚度、稳定性以及耐久性等方面的性能要求。同时，还应关注材料的成本和环境影响等因素。

2.2.2 结构尺寸

合理的结构尺寸可以确保结构在承受荷载时具有足够的强度和稳定性。根据结构所受荷载准确拟订梁的高度、宽度、厚度以及预应力筋的布置等。

2.2.3 施工工艺

不同的施工工艺会影响结构的施工质量和使用性能。在选择施工工艺时，需要考虑其可行性、效率以及对结构性能的影响。同时，还应关注施工过程中的安全问题和环境保护等方面。

2.2.4 荷载作用

在实际使用过程中，结构会受到各种荷载的作用，包括恒载、活载、温度效应等。这些荷载会对结构的受力性能产生影响。因此，在设计过程中，需要充分考虑各种荷载组合情况，并对其进行合理的分析和计算。

三 数值仿真与力学分析

3.1 专业软件结构模拟

在进行双悬臂门架墩的数值仿真和结构模拟时，充分考虑了门架墩的几何特性、材料属性和施工过程中的各种荷载情况。模型的边界条件和约束条件都根据实际工程情况进行了精确设定，以确保模拟结果的准确性和可靠性。

此外，还对模型进行了施工过程的模拟，包括下部结构施工、预应力张拉、上部T梁架设等各个施工阶段。每个阶段的受力状态和位移变形都被详细记录和分析，以便更全面地了解门架墩结构的整体性能和受力特点。

3.2 重要指标的力学分析

在完成结构模拟后，对门架墩的应力和变形等重要指标进行了深入的力学分析。

通过数值仿真与力学分析，对双悬臂门架墩的设计方案和受力特性有了更深入的了解。这些分析结果不仅为门架墩的优化设计提供了数据支持，也为类似桥梁工程的设计和建设提供了有益的参考。

四 案例研究与应用

4.1 工程案例验证

为了验证双悬臂门架墩设计优化模型的有效性和准确性，选取了某高速公路中的门架墩进行了深入研究，对其进行了详细的结构分析和性能评估。

4.2桥梁主要荷载

上部主梁高2.5m，采用5片预应力T梁，梁间距2.55m，上部主梁的标准横断面，如图1所示。

图1 主梁标准横断面

根据上部40mT梁构造，计算上部结构自重如下表：

表1 上部40mT梁自重

2）按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)计算车道荷载作用下次边支点反力如下：

表2 车道荷载

车道在盖梁对应的桥面加载范围内根据影响线加载。汽车冲击系数取0.35；车道折减系数按规范规定取值。

3）门架墩均匀升降温按±25℃计算。

4）墩柱基础不均匀沉降按5mm考虑。

5）桥墩自重根据有限元模型自动计算，混凝土容重26kN/m3。

4.3 结构模型建立与分析

4.3.1 门架墩概况

双悬臂门架墩构造如下图所示，其中左柱墩高17.5m、右柱墩高18m。

图2 门架墩布置图（cm）：跨中梁高220cm,端部梁高150cm

4.3.2 门架墩横梁预应力布置

图3 盖梁钢束布置立面图（cm）：钢束型号15-15

4.3.3 结构计算模型

采用Midas建立有限元模型如下图所示，建模时准确模拟施工步骤：下部结构施工——张拉盖梁预应力N1——架设上部结构T梁——张拉盖梁预应力N2——浇筑湿接缝——桥面铺装——徐变3650天（成桥）。

图4 有限元模型

4.3.4 门架墩盖梁结构验算

1）持久状况承载能力极限状态计算

①正截面抗弯验算

图5 使用阶段正截面抗弯验算包络图（单位：kN•m）

正截面抗弯最不利为支点位置，弯矩设计值为-27549.3kN•m，抗弯承载力计算为43579.9kN•m，抗弯最小安全系数为1.58，抗弯承载力满足要求。

②斜截面抗剪验算

图5 使用阶段斜截面抗剪验算包络图（单位：kN）

斜截面抗剪最不利位置位于墩顶位置，该处剪力最大值为14161.2kN，抗剪承载力为20245 kN，其抗剪安全系数为1.41，抗剪承载力满足要求。

2）持久状况正常使用极限状态

①正截面抗裂验算

图6 截面上缘应力图（单位：MPa，符号：拉+压-）

图7 截面下缘应力图（单位：MPa，符号：拉+压-）

频遇组合作用下，盖梁截面上缘、下缘均未出现拉应力，截面上缘最小压应力为1.0MPa,位于支点位置， 截面下缘最小压应力为2.4MPa,位于跨中近支点处，正截面抗裂验算应力满足要求。

②斜截面抗裂验算

图8 斜截面抗裂主拉应力图（单位：MPa，符号：拉+压-）

频遇组合作用下，盖梁最大主拉应力为0.8MPa，小于0.5ftk=1.325MPa斜截面抗裂验算应力满足要求。

3）持久状况应力验算

①正截面压应力验算

图9 截面上缘应力图（单位：MPa，符号：拉+压-）

图10 截面下缘应力图（单位：MPa，符号：拉+压-）

标准组合作用下，盖梁截面上缘最大压应力为8.3a，位于悬臂处，下缘跨中最大压应力为10.2 MPa，位于支点处，均小于0.5fck=16.2MPa，正截面压应力满足要求。

②斜截面主压应力验算

图11 斜截面主压应力图（单位：MPa，符号：拉+压-）

标准组合作用下，盖梁最大主压应力为10.2MPa，小于0.6fck=19.44MPa，斜截面主压应力满足要求。

4）盖梁变形计算

在汽车荷载作用下，盖梁跨中最大变形为1.83mm，悬臂端最大变形为1.85mm。

五 结论与建议

在本文中，遵循门架墩设计原则与参数分析、数值仿真与力学分析原理，结合实际工程案例对高速公路双悬臂门架墩的力学性能进行了相关分析研究，取得了以下主要成果：

（1）系统地梳理了双悬臂门架墩的设计与分析方法，明确了现有研究的不足与改进点。在此基础上，提出了设计优化的基本原则，并对影响双悬臂门架墩结构性能的主要参数进行了详细分析。

（2）根据设计原则和参数分析结果，构建了双悬臂门架墩的优化数学模型。该模型综合考虑了结构强度、刚度、稳定性等多个方面，为实现设计优化提供了有力支撑。

（3）结合具体工程案例，得到了该桥型结构中双悬臂门架墩悬臂长度、梁高、预应力布置等参数的合理取值。

（4）在参数分析过程中，发现诸如跨度、高度、荷载预应力布置等参数对双悬臂门架墩的受力影响较为显著，在未来的研究中，可以进一步深入探讨这些参数对结构性能的影响机理，以便更好地指导设计实践，为高速公路桥梁的设计与施工提供更多的支持和帮助。