近年來隨著城市高架橋的大量建設和公路路網的密集,相交道路在平面上發(fā)生沖突的問題也就隨之增多。為了不影響下方道路的使用,通常可采用的措施有:大跨徑橋梁一跨跨越；利用下方道路的分隔帶設置獨柱或偏心橋墩；沿分隔帶的方向在中間設置多柱橋墩,若道路為斜交,須采用斜交的上部結構；框架墩通過設置剛性橫梁將墩柱放在路幅以外。框架墩的方案在美觀上相對要差,給人節(jié)外生枝、不對稱、不協(xié)調、力學上不平衡的感覺,對于有較高景觀要求的橋梁,應盡可能避免使用。但框架墩在經濟上和工期上有一定優(yōu)勢,如:某高速公路與地方道路斜交小于20°,早先的設計采用了110m跨的連續(xù)剛構,后因工期和經濟等因素,經比較改為50mt梁,采用了三個框架墩,最大墩柱間距達24.5 m?？蚣芏找蚨罩g距較大,通常將蓋梁設計為預應力結構。框架墩與普通橋墩相比在構造與計算上有其特殊性。
公路橋梁框架墩設計
1、公路橋梁框架墩的構造形式
（一）框架墩構造形式需考慮的因素框架墩構造形式的確定，需首先滿足支承上部結構與凈空尺度的要求。此外，還需考慮以下因素：結構形式、框架墩在縱橋向上的位置、墩梁的組合形式、框架墩各墩柱之間的相差高度、墩身的抗推剛度、橫梁預應力束布置及各部分尺寸對美觀的影響等。
（二）兩種主要的構造形式及適用范圍框架墩主要有兩種構造型式：一種是梁與墩固結，多用于高墩或連續(xù)粱的中間橋墩，其抗震性及主梁的抗扭性較好，但梁與墩固結受力復雜，需做空間受力分析，而且在施工時墩橫粱和主梁需要同時澆注，影響了下方道路的正常運營，一般不采用墩梁固結的方式；這種結構多用于橋面較寬蓋梁跨度較大,且墩柱較高較柔的情況。另一種是上部結構為連續(xù)梁或簡支梁，在粱底設置支座，墩梁分離。
這種結構能適應橫橋向及縱向主梁伸縮變形較大的情況，該型式受力明確，多用于簡支梁橋或墩柱較矮的連續(xù)梁邊墩。根據第二種情況的受力特點，為提高橫梁剛度和控制橫梁撓度，改善橫梁的受力狀況，又衍生出將橫梁做成變截面，將梁式結構改成桁架式結構，橫梁加預應力，或將墩做成三柱或者多柱式墩等形式，這些構造形式多為前面兩種基本形式的疊加與組合，僅受力分析上相對復雜而已。
框架墩通常不設系梁,因為框架墩通?？缍容^大,且在溫度和收縮徐變作用下對墩柱受力不利?？蚣芏盏幕A可根據地質條件采用淺基礎或樁基礎。樁基礎可采用單根樁、單排樁或群樁。框架墩多為超靜定結構,且蓋梁剛度相對較大,對不均勻沉降比較敏感,很小的沉降(2mm左右)都可能使支點處的內力顯著增加。因而盡可能選用沉降量較小的嵌巖樁或支承樁,如果不得不采用摩擦樁,則應進行樁基豎向位移驗算。
2、公路橋梁框架墩的設計要點
（一）確定合理的結構尺寸、橫梁與墩柱的剛度匹配關系框架墩結構尺寸的選擇,除了要考慮結構凈空要求、建筑高度的限制、橫梁預應力布置需要等因素外,還要重點考慮其橫梁和墩柱的剛度匹配關系。剛度匹配不合理,就會帶來一系列的問題,如結構內力、變形及隅節(jié)點應力較大等。
（二）上部結構豎向作用力的計算作用在框架墩上的豎向力主要為結構自重和汽車荷載,重力的計算較為簡單,但汽車荷載的計算較為復雜?？v向計算時需根據影響線的形狀,進行最不利位置的布載,并計入汽車沖擊力。然后進行汽車荷載的橫向計算。根據不同結構選用相應的計算方法:對于連續(xù)箱梁,可通過空間梁單元計算程序或空間梁格有限元程序計算；對于簡支梁,需根據汽車的橫向位置分別采用杠桿法或偏壓法等方法計算,通常計算蓋梁懸臂或邊梁所處截面的內力時采用偏壓法,計算蓋梁跨中或中梁所處截面時采用杠桿法。
（三）上部結構縱向作用力的計算框架墩所受上部結構傳遞的縱向力主要有:汽車制動力、溫度作用力、預應力混凝土上部結構在收縮徐變時產生的水平力、現澆施工時上部結構張拉預應力鋼束產生的作用力等。在計算以及分配這些力時,需要先計算橋墩的抗推剛度。根據各墩的絕對剛度來計算上部結構變形引起的縱向力,如:溫度力、預應力混凝土主梁收縮徐變產生的縱向力等。根據各墩的相對剛度進行某些力的分配:如汽車制動力。在計算橋墩的抗推剛度時,需計入基礎與支座的串連影響,對于樁基礎可采用m 法計算,對于橡膠支座可直接采用材料力學公式計算其剪切剛度。
（四）合理的預應力鋼束布置框架墩蓋梁預應力鋼束布置特點是:由于蓋梁及荷載的非對稱及不均勻性,各截面所需配置的鋼束差別較大,將鋼束通長布置顯得浪費。但若要截斷則難于設置施工錨固點,因而將鋼束部分布置在截面的中間位置。蓋梁截面的剪力通常較大,鋼束布置時盡可能利用彎起束的抗剪作用,將彎起的位置布置在剪力和剪跨比較大的位置,并采用較大的彎起角度。鋼束的橫向布置及其張拉順序應盡可能對稱,以免產生較大的側彎。
（五）普通鋼筋的布置框架墩蓋梁的普通鋼筋主要用于抗剪、抗扭及水平面抗彎，此外還需滿足構造和最小配筋率的要求，如：橋規(guī)中規(guī)定部分預應力混凝土受彎構件中，普通受拉鋼筋的截面面積不應小于0.003bh0。雖然預應力蓋梁的截面應力在鋼束作用下已滿足強度要求，但通常布置的普通鋼筋直徑均在φ20以上，間距也較密，這主要基于以下考慮：用于結構抗裂；增加結構在地震時的延性；便于蓋梁與墩柱特別是邊柱的鋼筋連接。特別值得注意的是：在地震荷載下蓋梁與墩柱連接處的節(jié)點,易發(fā)生破壞,特別是外挑蓋梁的節(jié)點破壞非常嚴重，宜加強節(jié)點處的布筋數量并注意連接方式。
大跨度門架墩設計
當兩條線路交角小，其中一條線路須跨越另一條線路時，如軌道交通、磁懸浮跨越城市道路（或公路、鐵路），城市道路跨越城市道路、鐵路等，在不中斷交通的情況下，要滿足限界及施工安全距離，上跨橋梁跨度一般很大，且橋梁上部結構須選擇跨越能力大的鋼結構，從而引起工程造價高、后期維護工作量大。另外一種解決方法就是選擇門架墩跨越，上部結構選擇預制小箱梁或空心板梁混凝土結構，一般采用吊機或架橋機架梁，架梁時間短，對既有運營線路影響小。
在下穿道路不宜搭設支架的情況下，大跨度門架墩可采用鋼－混凝土混合門架結構，即蓋梁為鋼結構，立柱為鋼筋混凝土結構，蓋梁工廠預制，立柱現場澆注。在不中斷下穿道路交通且可搭支架的情況下，大跨度門架墩蓋梁可選用預應力混凝土結構、立柱為鋼筋混凝土結構，同時，立柱與蓋梁的連接方式可選用一端固接、一端先鉸接后固接，或一端固接、一端鉸接的形式。
門架墩按照蓋梁與立柱的連接方式，可分為全固接，一端固接、一端鉸接。蓋梁可采用預應力混凝土結構或鋼結構，預應力混凝土蓋梁搭設支架現澆，對交通的影響較大，鋼箱蓋梁可先在工廠預制，現場吊裝，對交通的影響較小。
1、案例解析
某工程在既有全互通立交基礎上共增設8條匝道。受地下管線和現有立交主線、匝道影響，FWE匝道和FWN匝道分流口布設在既有的WS匝道上，見圖1；FWE匝道分流口小里程側上部結構為一聯22m＋24m＋22m變寬度鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，FWE匝道分流口大里程側和FWN匝道上部結構分別為跨徑27m。
20.62m預應力混凝土簡支小箱梁，因此，分流口處PFWE10號橋墩設計為門架墩。設計荷載：城-A級，施工階段溫度15℃，體系溫度變化：±25℃。
2 大跨度門架墩設計方案
門架墩柱間距（10m左右）較小時，蓋梁與立柱一般采用全固接的混凝土結構。
門架墩柱間距（20m左右）很大時，稱為大跨度門架墩，根據蓋梁材料和蓋梁與立柱的連接方式，有以下幾種設計方案。
（1）方案１：先鉸接后固接的鋼－混凝土混合門架墩為了減少對下穿道路正常交通的干擾，大跨度門架墩常采用鋼－混凝土混合結構，即蓋梁為鋼結構，立柱為鋼筋混凝土結構。
該方案混凝土立柱施工完成后，將工廠預制的鋼箱蓋梁吊裝置于柱頂，此時蓋梁與墩柱鉸接，待上部結構梁跨架設完成。
二期恒載施工完成后，使鋼箱蓋梁與墩柱固接，則在恒載作用下，鉸接的蓋梁無疑大大減小了柱頂、柱底節(jié)點處橫向彎矩，正常運營階段結構需承受溫度變化、活載作用下所產生的橫向彎矩。
（2）方案2：一端固接、一端先鉸接后固接的預應力混凝土門架墩在不中斷下穿道路交通的情況下，混凝土立柱施工完成后，搭設支架澆筑蓋梁混凝土，并使一個立柱與蓋梁固接，另一個立柱柱頂縱向擴大頭上安放兩塊四氟板式橡膠支座，且該柱頂上方蓋梁內混凝土后澆，然后張拉蓋梁第一批預應力鋼束，架設預制上部結構小箱梁，接著張拉蓋梁第二批預應力鋼束，鋪筑橋面鋪裝和澆注防撞墻，最后澆注柱頂上方未澆注的蓋梁混凝土，使立柱與蓋梁固接。
（3）方案3：一端固接、一端鉸接的預應力混凝土門架墩，本方案適用條件同方案2，混凝土立柱施工完成后，搭設支架澆筑蓋梁混凝土，并使一個立柱與蓋梁固接，另一個立柱柱頂布置一個單向（橫橋向）活動球鋼支座，且蓋梁縱向設置限位，然后張拉蓋梁預應力鋼束、鋪筑橋面鋪裝和澆注防撞墻。
（4）方案4：全固接預應力混凝土門架墩本方案適用條件同方案2。為了便于同方案2、方案3進行比較，考慮蓋梁混凝土澆注時將立柱和蓋梁全固接的方案。
2、大跨度門架墩設計方案比選
本工程設計和施工周期短，工期緊，在不中斷交通且下穿道路WS匝道允許搭設支架的前提下，PFWE10門架墩立柱采用鋼筋混凝土結構，蓋梁不選擇鋼箱結構，而選擇預應力混凝土結構。
立柱設計尺寸：1800ｍｍ×1500ｍｍ（橫橋向×順橋向）。針對方案２，Ｂ柱柱頂順橋向尺寸各增大500ｍｍ，便于放置兩塊350ｍｍ×500ｍｍ×59ｍｍ四氟板式橡膠支座。蓋梁尺寸：2000ｍｍ×2000ｍｍ（寬度×高度），同樣，針對方案２，Ｂ柱柱頂處蓋梁寬度擴大到3000ｍｍ，以利于提供相應布置支座的空間和減少鋼束從柱頂通過，便于施工。根據方案２～方案４蓋梁與立柱的連接方式，分別建模運用“橋梁博士”軟件進行計算，立柱柱頂、柱底軸力、彎矩（順時針為負、逆時針為正）和蓋梁內力（蓋梁彎矩上緣受拉為負、下緣受拉為正）計算結果見表１～表６。
從表１～表６立柱柱頂、柱底內力、蓋梁內力計算結果發(fā)現：
（１）恒載作用下，方案２～方案４立柱柱頂、柱底軸力相差不大，基本相同；但方案２、方案３相對方案４的橫向彎矩減小較多，這說明改變門架墩立柱與蓋梁的連接方式可大大改善立柱的受力狀況。
（２）在汽車荷載和溫度作用下，方案２、方案４立柱柱頂、柱底的軸力、彎矩相同，且溫度對門架墩結構產生較大的橫向彎矩，而方案３由于柱頂、柱底的軸力、彎矩相同，且溫度對門架墩結構產生較大的橫向彎矩，而方案３由于柱頂設置了一單向（橫橋向）活動支座，Ａ柱柱頂、柱底節(jié)點由溫度產生的軸力、橫向彎矩很小，Ｂ柱柱底僅僅存在由支座摩阻力所產生的橫向彎矩。
（３）表４中方案２～４Ａ柱、Ｂ柱的柱底軸力基本相同，但方案4橫向彎矩最大，方案3最小，方案2位于兩者之間。橫向彎矩大，將大大增加立柱的配筋量，同時，需增大基礎的工程量，如樁的根數。
（４）表5說明：方案4的蓋梁正、負彎矩的絕對值相差不大，基本相同。方案２比方案4的蓋梁跨中彎矩有所增大、Ｂ柱頂處蓋梁彎矩減少較多。方案3因一端鉸接，Ｂ柱頂處的蓋梁彎矩很小，相對方案4跨中彎矩增大很多。
（５）表6說明：在汽車荷載和溫度作用下，方案２蓋梁彎矩的絕對值相差不大，基本相同。方案３蓋梁在汽車荷載作用下跨中彎矩較大，溫度作用對蓋梁產生的內力很小。
框架墩的計算
框架墩常見的構造形式：
(1) 上部結構為連續(xù)梁 ,梁與墩固結 ,見圖1a。這種構造需要墩柱有足夠的柔度 ,以免在蓋梁橫向 伸縮及主梁縱向伸縮時 ,在墩柱產生過大內力。它多用于高墩或連續(xù)梁的中間橋墩 ,其抗震及對主梁 抗扭的作用較好。
(2) 上部結構為連續(xù)梁或簡支梁 ,梁底或蓋梁底設置支座 ,見圖 1b、c。這種結構能適應蓋梁及縱 向主梁伸縮變形較大的情況。它們多用于普通簡支 梁橋或墩柱較矮的連續(xù)梁邊墩。
(3) 上部結構為連續(xù)梁或簡支梁 ,墩柱數多于 兩根 ,蓋梁與墩柱固結，見圖1d。這種結構多用于 橋面較寬蓋梁跨度較大，且墩柱較高較柔的情況。
(4) 上部結構為連續(xù)梁或簡支梁 ,墩柱數多于兩根 ,蓋梁與墩柱有固結也有鉸接，見圖1e。這種 結構多用于橋面較寬蓋梁寬度較大，但墩柱較矮或墩柱間剛度相差較大的情況。
(5) 圖1f 、g、k 為城市高架橋較多采用的形式。其構造特點多為前面幾種情況的疊加，但受力分析復雜許多。為改善景觀效果，對于簡支梁常在支點處采用牛腿。
框架墩通常不設系梁，因為框架墩通常跨度較大，且在溫度和收縮徐變作用下對墩柱受力不利。
框架墩的基礎可根據地質條件采用淺基礎或樁基礎。樁基礎可采用單根樁、單排樁或群樁?？蚣芏?多為超靜定結構 ,且蓋梁剛度相對較大 ,對不均勻沉比較敏感 ,很小的沉降(2mm左右)都可能使支 點處的內力顯著增加。因而盡可能選用沉降量較小的嵌巖樁或支承樁 ，如果不得不采用摩擦樁 ,則應進行樁基豎向位移驗算。
計算與配筋：
作用在框架墩上的豎向力主要為結構自重和汽車荷載 ,重力的計算較為簡單 ,但汽車荷載的計算較為復雜?？v向計算時需根據影響線的形狀 ,進行最不利位置的布載 ,并計入汽車沖擊力。然后進行汽 車荷載的橫向計算。根據不同結構選用相應的計算方法 :對于連續(xù)箱梁 ,可通過空間梁單元計算程序或空間梁格有限元程序計算 ;對于簡支梁 ,需根據汽車的橫向位置分別采用杠桿法或偏壓法等方法計算 , 通常計算蓋梁懸臂或邊梁所處截面的內力時采用偏壓法 ,計算蓋梁跨中或中梁所處截面時采用杠桿法。
若在計算時考慮主梁對橋面汽車荷載的傳遞作用 ,則蓋梁的內力計算往往比較繁瑣 ,目前常用的計算軟件大多未提供自動布載的功能。經比較 ,如果將一列汽車荷載按橫向車輪的位置直接布置在蓋梁上 ,然后采用自定義的特殊移動荷載進行自動布載計算 ,其內力結果與前述的計算方法相差不大(通常在10%以內) ,對于主梁懸臂較小的結構差別更小 , 從而簡化計算過程。
在計算上部結構重力時 ,對于防撞欄或人行道板的恒載 ,要進行合理的橫向分配。因為該部分重力作用較大 (防撞欄約為 7.5 kN/ m ,人行道板約5kN/ m) ,對下部結構的內力 ,特別是蓋梁懸臂處的 內力產生較大影響 ,如果簡單地把重力分配在邊梁上、或平均分配給各片梁 ,會使得內力結果偏于危險。較準確的方法是把它們的重量按各梁的橫向分配系數進行分配。
框架墩所受上部結構傳遞的縱向力主要有 :汽車制動力、溫度作用力、預應力混凝土上部結構在收縮徐變時產生的水平力、現澆施工時上部結構張拉預應力鋼束產生的作用力等。在計算以及分配這些 力時 ,需要先計算橋墩的抗推剛度。根據各墩的絕 對剛度來計算上部結構變形引起的縱向力 ,如：溫度力、預應力混凝土主梁收縮徐變產生的縱向力等。根據各墩的相對剛度進行某些力的分配 :如汽車制動力。在計算橋墩的抗推剛度時 ,需計入基礎與支座的串連影響 ,對于樁基礎可采用m法計算 ,對于橡膠支座可直接采用材料力學公式計算其剪切剛度。
由于框架墩墩柱布置通常不對稱 ,各墩柱所受豎向力差異較大 ,需考慮可能出現的不均勻沉降。當蓋梁與墩柱間設置支座時 ,需適當考慮支座的壓縮變形?？蚣芏盏挠嬎氵€需計入溫度荷載 ,除考慮整體的升溫與降溫外 ,還需考慮可能出現的溫度梯度 ,這是因為許多框架墩的一部分位于橋面以外 ,受太陽的直接照射。
結構內力計算：框架墩通常為超靜定預應力結構 ,在計算時多采用平面桿系有限元程序。結構建模時 ,對于墩柱高度較小(小于 10 m) 或墩柱間高差較大的框架墩 , 需計入樁基的橫向柔度，否則可能出現墩柱橫向彎矩過大的情況。對于蓋梁跨度較大墩柱較矮的多柱框架墩 ,為了避免外側墩柱因蓋梁的彈性壓縮、溫度和收縮徐變等變形引起過大橫向彎矩 ,可設置單向活動支座。
由于蓋梁本身自重荷載所占比例較小 ,蓋梁預應力鋼束需根據上部荷載的大小采用分批張拉。考慮到施工方便 ,預應力鋼束最好采用單端張拉。但是對于較長或豎彎較多的鋼束 ,采用單端張拉會造成末端預應力損失過大 ,影響經濟指標。
對于懸臂較大或墩柱間跨度較大的框架墩 ,應 計算蓋梁的扭矩和水平面上的彎矩 ,扭矩主要是由恒載偏心和橋面單側移動荷載產生 ,水平面的彎矩 由上部結構作用在蓋梁上的水平力產生。這兩種內 力在普通橋墩蓋梁計算時通常量級較小，可忽略不計。但對某些類型的框架墩 ,其量級較大需進行考慮。如：蓋梁跨度較大，一側墩柱在蓋梁底設置單支座的框架墩(類似圖1e) ,由于支座位于蓋梁幾何中心 ,不能抵抗扭矩 ,導致另一側墩柱處蓋梁扭矩增大。對于蓋梁支點位置的負彎矩 ,應按規(guī)范規(guī)定予以折減 ,否則影響結構配筋的經濟性。對于高跨比較小的蓋梁 ,還需考慮深梁效應。
框架墩蓋梁預應力鋼束布置特點是：由于蓋梁及荷載的非對稱及不均勻性 ,各截面所需配置的鋼束差別較大 ,將鋼束通長布置顯得浪費。但若要截斷則難于設置施工錨固點 ,因而將鋼束部分布置在 截面的中間位置 ,如圖2。蓋梁截面的剪力通常較大 ,鋼束布置時盡可能利用彎起束的抗剪作用 ,將彎起的位置布置在剪力和剪跨比較大的位置 ,并采用較大的彎起角度。鋼束的橫向布置及其張拉順序應 盡可能對稱 ,以免產生較大的側彎。
框架墩蓋梁的普通鋼筋主要用于抗剪、抗扭及水平面抗彎 ,此外還需滿足構造和最小配筋率的要求，如：橋規(guī)中規(guī)定部分預應力混凝土受彎構件中 ,普通受拉鋼筋的截面面積不應小于0.003bh0 。雖 然預應力蓋梁的截面應力在鋼束作用下已滿足強度要求 ,但通常布置的普通鋼筋直徑均在Φ20以上 , 間距也較密 ,這主要基于以下考慮 :用于結構抗裂 ; 增加結構在地震時的延性 ;便于蓋梁與墩柱特別是 邊柱的鋼筋連接。特別值得注意的是 :在地震荷載下蓋梁與墩柱連接處的節(jié)點 ,易發(fā)生破壞 ,特別是外挑蓋梁的節(jié)點破壞非常嚴重 ,宜加強節(jié)點處的布筋 數量并注意連接方式。
框架墩雖美觀性不佳 ,但經濟實用。在進行框 架墩設計時 ,應根據具體的條件合理選擇結構形式 , 在內力計算與布置鋼束(筋) 時應注意框架墩在受力上的特點。
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