摘要：本文在設計預制橋墩的過程中，進行了相應的結構計算，可供同類結構設計參考。
　　關鍵詞：BRT高架橋，預制墩，設計，計算
　　0前言
　　預制橋墩比較常見用于水上橋梁中，如跨越交通繁忙的河道橋梁、氣候環境惡劣的海上大橋等不適宜長時間在外作業的地方均有廣泛運用。目前，隨著城市高架橋的大量建設，預制橋墩也逐漸被引用到城市橋梁的建設中。
　　廈門高架BRT位于島內主要交通干道上，兩邊均為商業及居民住宅樓，為將施工對周邊環境及既有道路交通的影響盡量降到最低，同時加快施工進度，受業主委托，考慮在廈門BRT高架橋設計中采用部分預制橋墩。
　　1預制墩設計
　　廈門高架BRT預制橋墩外觀同區間現澆鋼筋混凝土橋墩，區別在于墩身采用空心截面，在結構計算滿足功能要求前提下，減輕結構自重，以利于運輸及吊裝施工；預制墩采用整體預制，在現場通過普通鋼筋或預應力鋼筋拼接成為整體的方式，該方案是有效地利用預制塊施工法特長的合理結構形式。橋墩結構如下圖1所示：
　　
　　圖1預制墩一般構造圖
　　2實體模型分析
　　由于花瓶式橋墩受力復雜，初等梁理論計算不適用，本文按空間有限元理論。為驗證結構的可靠性，針對本次的預制橋墩，分別按照吊裝、運輸及運營階段進行了實體模型的分析計算。并采用Midas/civil2006空間有限元軟件進行分析，建立空間實體有限元模型，橋墩實體有限元模型如下圖2所示：
　　
　　圖2花瓶墩實體模型
　　2.1運營階段計算
　　橋墩計算考慮了恒載、汽車荷載、制動力、溫度力、風荷載、地震力等。根據上部計算結果，按承載能力極限狀態設計組合得最大豎向力為14057KN，支反力近似按平均值分配給兩個支座，單個支座最大豎向力為7028.5KN。溫度：按均勻升溫25°，均勻降溫25°，考慮混凝土的收縮徐變等。墊石頂外力按支座最大支反力輸入，花瓶墩身各部位細部模型及應力狀況分別如下圖3~4所示：
　　
　　圖3花瓶墩頂部最大主應力云圖圖4空腔頂部有效應力云圖
　　從上述計算結果可知，花瓶預制墩在使用階段的應力及強度均滿足設計及安全要求。
　　2.2撞擊計算
　　參照規范CJJ69-95第3.1.13條的規定，對橋墩進行了撞擊計算，撞擊力取350kN,撞擊力作用點位于路面以上1.8m處。計算工況：運營過程，橋上無車。采用Midas/civil2006建立實體模型進行模擬撞擊計算。
　　2.3特征值分析
　　由于預制橋墩為空心薄璧結構，受力與實體墩有所不同，設計中除應檢算強度、縱向彎曲穩定、墩頂彈性水平位移等常規檢算內容外，還應考慮局部穩定、抗裂性、振動、溫差、混凝土收縮，以及固端干擾等影響。因此，高墩的墩身應力、自振周期、墩頂位移等成為墩身截面設計的控制條件。本次預制橋墩墩高10m，采用midas/civil2006對預制空心橋墩進行了運營階段下的特征值分析，并提取了前十二階頻率及各階振型圖，理論頻率計算結果如下表1：
　　表1特征值分析表
　　模態號 頻率 頻率 周期 容許誤差
　　 (rad/sec) (cycle/sec) (sec) 
　　1 9.725956 1.547934 0.646022 0.00E+00
　　2 13.921302 2.215644 0.451336 0.00E+00
　　3 41.650082 6.628816 0.150856 0.00E+00
　　4 101.966717 16.228507 0.061620 0.00E+00
　　5 135.767704 21.608101 0.046279 0.00E+00
　　6 149.080909 23.726964 0.042146 0.00E+00
　　7 204.053076 32.476056 0.030792 2.69E-36
　　8 211.355540 33.638279 0.029728 4.42E-34
　　9 265.228287 42.212393 0.023690 1.67E-13
　　10 265.887262 42.317272 0.023631 4.72E-13
　　11 266.785440 42.460222 0.023551 1.26E-21
　　12 268.520111 42.736303 0.023399 3.19E-22
　　根據預制墩的前十二個振型圖，通過分析前十二階振型圖我們可以得到如下結論：
　　橋墩采用花瓶型板式墩，墩身截面尺寸為2.4x1.6m，墩頂設雙支座，支座間距2.4m，墩身內部挖空。由于墩高較高，縱橋向尺寸僅為1.6m，縱橋向剛度較小，因此橋墩第一階振型表現為縱橋向一階水平振動，自振頻率為f1=1.548Hz。
　　第二階振型表現為橋墩橫橋向一階水平振動，自振頻率為f2=2.216Hz。
　　第三階振型表現為橋墩繞墩身豎軸扭轉振動，自振頻率為f3=6.629Hz。
　　第四階振型表現為橋墩豎向伸縮振動，自振頻率為f4=16.229Hz。
　　第五階振型表現為橋墩花瓶端橫橋向擴伸振動，自振頻率為f5=21.608Hz。
　　第六階振型表現為橋墩橫橋向側頃振動，自振頻率為f6=23.727Hz。這是由于橋墩較高，上部結構質量較大，橋梁橋面寬度達到10.0m，而橋梁墩頂支座橫向間距僅2.4m所引起的，其振動頻率與花瓶端橫橋向擴伸振動基頻接近（比后者高出9.8％），反映出橋墩墩身截面抗彎剛度大的特點，墩頂橫向支撐2.4m可最大限度地減少橋墩橫向尺寸，在保證橋梁上部結構橫向穩定性的前提下，不僅最大限度地為橋下留出橫向凈寬，而且可體現花瓶形橋墩剛勁纖細的美學效果。
　　第七階振型表現為橋墩花瓶端兩角對向扭轉振動，自振頻率為f7=32.476Hz。
　　第八階振型表現為橋墩花瓶端兩角同向扭轉振動，自振頻率為f8=33.638Hz。
　　第九階振型表現為橋墩頂墊石反向翹曲振動，自振頻率為f9=42.212Hz。
　　第十階振型表現為橋墩頂墊石同向翹曲振動，自振頻率為f10=42.317Hz。
　　第十一階振型表現為橋墩頂墊石對角對稱翹曲振動，自振頻率為f11=42.460Hz。
　　第十二階振型表現為橋墩頂墊石對角反對稱翹曲振動，自振頻率為f12=42.736Hz。
　　從預制墩前十二階振動頻率和振型可以看出，橋墩的縱向振動和橫向振動交替出現，說明橋墩的墩高取值、橫截面設計、墩身壁厚和花瓶端內的彎弧度等都較為合理，橋墩的側頃振動出現的比較晚（第六階），印證了橋墩抗側頃剛度大的特點。從第九階開始，橋墩均表現為墊石的局部翹曲振動，說明墩身整體剛度較大，同時也反映了預制橋墩有限元計算模型建立和邊界條件設置正確，能正確反映出橋墩的動力特性。
　　3吊裝階段計算
　　吊裝時，采用纜繩綁在花瓶墩上部實體段進行垂直吊裝，因此只需檢算墩身空心部分與上部實體段結合處的空心截面。
　　墩身挖空段截面面積：A=2.835m2
　　墩身挖空段自重：G=A×（9-2.6）＝2.835×6.4×26＝471.74kN
　　根據公橋通規（JTGD60-2004），墩身在吊裝時，空心截面應力計算如下：
　　  <<橋梁博士>>---截面設計系統輸出
　　截面高度:1.6m
　　構件計算長度:1.0m
　　荷載信息:
　　荷載類型:軸力(KN)剪力(KN)彎矩(KN-m)
　　結構重力-4720.00.0
　　動力系數1.2
　　計算信息:鋼筋混凝土截面承載能力極限狀態荷載組合I
　　計算結果:
　　荷載組合結果:
　　內力最大軸力最小軸力最大剪力最小剪力最大彎矩最小彎矩
　　軸力-472-566-472-472-472-472
　　剪力0.00.00.00.00.00.0
　　彎矩0.00.00.00.00.00.0
　　承載能力極限狀態荷載組合I強度驗算結果:
　　最大軸力強度驗算
　　截面受力性質:軸拉
　　內力描述:Nj=-472KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-472KN(滿足)
　　最小軸力強度驗算
　　截面受力性質:軸拉
　　內力描述:Nj=-566KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-566KN(滿足)
　　最大彎矩強度驗算
　　截面受力性質:軸拉
　　內力描述:Nj=-472KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-472KN(滿足)
　　最小彎矩強度驗算
　　截面受力性質:軸拉
　　內力描述:Nj=-472KN,Qj=0.0KN,Mj=0.0KN-m
　　截面抗力:NR=-8.28e+03KN<=Nj=-472KN(滿足)
　　計算成功完成
　　從上述計算結果可知，預制墩在吊裝過程是安全的。
　　4運輸階段計算
　　考慮預制場就在島內，道路運輸方便可行，預制墩構件出運原則上采取采用門機直接裝平板車的形式，墩身平躺，沿墩身高度方向2點支撐。
　　墩身挖空段截面面積：A=2.835m2
　　墩身挖空段每延米自重：q=A×26＝2.835×26＝73.71kN/m
　　跨中最大彎矩：M=1/8×q×(9-2.6)2=377.4kN-m
　　根據公橋通規（JTGD60-2004），墩身在運輸時，空心截面應力計算如下：
　　<<橋梁博士>>---截面設計系統輸出
　　截面高度:1.6m
　　構件計算長度:1.0m
　　荷載信息:
　　荷載類型:軸力(KN)剪力(KN)彎矩(KN-m)
　　結構重力0.00.0377
　　動力系數1.2
　　計算信息:鋼筋混凝土截面承載能力極限狀態荷載組合I
　　計算結果:
　　荷載組合結果:
　　內力最大軸力最小軸力最大剪力最小剪力最大彎矩最小彎矩
　　軸力0.00.00.00.00.00.0
　　剪力0.00.00.00.00.00.0
　　彎矩377377377377453377
　　承載能力極限狀態荷載組合I強度驗算結果:
　　最大軸力強度驗算
　　截面受力性質:下拉受彎
　　內力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=377KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=377KN-m(滿足)
　　最小軸力強度驗算
　　截面受力性質:下拉受彎
　　內力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=377KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=377KN-m(滿足)
　　最大彎矩強度驗算
　　截面受力性質:下拉受彎
　　內力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=453KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=453KN-m(滿足)
　　最小彎矩強度驗算
　　截面受力性質:下拉受彎
　　內力描述:Nj=0.0KN,Qj=0.0KN,Mj=377KN-m
　　截面抗力:MR=5.88e+03KN-m>=Mj=377KN-m(滿足)
　　計算成功完成
　　從上述計算結果可知，預制墩在運輸過程同樣是安全的。
　　
　　5結束語
　　本文依托廈門高架BRT橋，采用少量橋墩進行分塊預制設計，通過把市區內橋墩預制化，達到縮短現場作業時間、節省勞力，集中管理施工的目的。通過對本次設計成果的擴大，還考慮今后把范圍擴展到更寬和更高的橋墩設計中，使得施工期間對周邊環境及既有道路交通的影響盡量降到最低，同時加快施工進度。