不等高雙肢薄壁墩對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)靜力影響＊

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500）

目前對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩的研究主要集中在橋墩類型的選?。?］、橋墩剛度的計(jì)算［2－4］、橋墩尺寸的優(yōu)化［5－9］、不同橋墩形式連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)分析［10］等．連續(xù)剛構(gòu)橋梁為適應(yīng)溫度變化、混凝土收縮徐變和地震力產(chǎn)生的縱向水平變形，下部橋墩通常設(shè)計(jì)為具有較小抗推剛度的雙肢薄壁墩．同時(shí)為使主墩墩頂具有相同的變形能力，大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的主墩多采用等高設(shè)計(jì)．但當(dāng)受到橋位處地形的限制，采用主墩的等高設(shè)計(jì)可能會(huì)造成橋梁施工難度較大、經(jīng)濟(jì)性不合理等，甚至無法實(shí)現(xiàn)，而采用不同截面的不等高橋墩會(huì)增加施工的難度和費(fèi)用．因此本文研究具有相同截面的不等高橋墩對(duì)橋梁的靜力影響具有一定的實(shí)際工程意義．

圖1 某特大橋立面布置圖（單位：m）

1 工程背景

分析以某在建公路特大橋?yàn)槔?，該橋主橋?yàn)?跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋跨布置為103m＋190m＋103m，見圖1．

橋梁上部主梁截面為單箱單室箱型截面，箱梁頂板寬12m，底板寬6．5m；下部2主墩為高度與截面均相同的雙肢薄壁墩，墩高104m，雙肢薄壁截面肢中心距10．5m，縱橋向單肢寬3．5m，壁厚0．6m，橫橋向單肢寬8．5m，壁厚1．0m，墩身采用C50混凝土．

2 計(jì)算與分析

2.1 有限元模型的建立

以原設(shè)計(jì)橋梁所對(duì)應(yīng)的有限元模型作為墩高比為1．0的計(jì)算模型．為考慮不同墩高比對(duì)連續(xù)剛構(gòu)的靜力影響，假定橋梁下部某一橋墩的高度固定不變，而將其余墩高取不同的值，形成不同的墩高比．除墩高比為1．0的模型外，其余模型的墩高比擬取值為0．5，0．6，0．7，0．8，0．9．

變高度橋墩的高度根據(jù)確定的墩高比計(jì)算見表1．

表1 變化橋墩高度表

模型中橫系梁的設(shè)置為，對(duì)于墩高比分比為0．5，0．6，0．7，0．8，0．9，1．0的模型，分別在橋墩中部設(shè)置一道橫系梁．所有模型中橋墩橫系梁的尺寸均相同．

根據(jù)文獻(xiàn)［4］中被動(dòng)位移階段橋墩抗推剛度的計(jì)算方法，墩定轉(zhuǎn)動(dòng)自由與墩頂受到嚴(yán)格約束時(shí)，橋墩抗推剛度的計(jì)算式為

式中：K為雙肢薄壁墩的抗推剛度；E為墩的彈性模量；I為墩截面的慣性矩；H為橋墩的高度．

由式（1）與式（2）可見，無論主梁對(duì)橋墩墩頂轉(zhuǎn)動(dòng)約束強(qiáng)弱，在橋墩的截面尺寸相同時(shí)，橋墩的抗推剛度與橋墩高度的三次方成反比關(guān)系，據(jù)此計(jì)算變高度橋墩與固定高度橋墩的抗推剛度比見表2．

表2 橋墩抗推剛度比

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述建立的具有不同墩高比橋梁的有限元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算．按文獻(xiàn)［11］所述，考慮承載能力極限狀態(tài)時(shí)，荷載的最不利組合取為：1．2×恒荷載＋1．2×預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)＋1．0×混凝土收縮作用＋1．0×混凝土徐變作用＋1．4×汽車荷載＋0．98×人群荷載＋0．98×溫度作用．分別統(tǒng)計(jì)各模型的邊跨正彎矩、中跨跨中彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、結(jié)構(gòu)豎向基頻、主梁支座處水平位移見表3～7．

表3 高墩側(cè)組合彎矩

表4 低墩側(cè)組合彎矩

表5 跨中組合彎矩

表6 橋梁結(jié)構(gòu)豎向基頻

表7 主梁支座處水平位移（絕對(duì)值）

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表3、表4的計(jì)算結(jié)果，在某一墩高比時(shí)，橋梁的邊跨正彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、支座處位移的絕對(duì)值在高墩側(cè)與低墩側(cè)的差值百分比（差值與較小值百分比）見表8．

根據(jù)表3～7的計(jì)算結(jié)果，分別作邊跨正彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、中跨跨中彎矩、結(jié)構(gòu)豎向基頻、主梁支座處水平位移的絕對(duì)值與墩高比的關(guān)系見圖2～9．

表8 各參數(shù)的差值百分比

圖2 邊跨正彎矩－墩高比關(guān)系圖

圖3 邊跨根部彎矩－墩高比關(guān)系圖

圖4 中跨根部彎矩－墩高比關(guān)系圖

圖5 墩頂彎矩－墩高比關(guān)系圖

圖6 墩底彎矩－墩高比關(guān)系圖

圖7 跨中彎矩－墩高比關(guān)系圖

圖8 豎向基頻－墩高比關(guān)系圖

圖9 支座處水平位移－墩高比關(guān)系圖

根據(jù)表3及圖2～6的分析，當(dāng)橋墩的墩高比從0．5變化至1．0時(shí)，高墩側(cè)邊跨正彎矩值相應(yīng)增大，最大變化幅度為10．32%；而高墩側(cè)邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩絕對(duì)值趨于減小，最大變化幅度分別為0．88%，0．85%，25．52%，30．25%．

根據(jù)表4及圖2～6的分析，當(dāng)橋墩的墩高比從0．5變化至1．0時(shí)，低墩側(cè)邊跨正彎矩值相應(yīng)減小，最大變化幅度為1．0%；而低墩側(cè)的邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩絕對(duì)值則趨于增大，最大變化幅度值分別為0．58%，0．77%，22．76%，34．6% ．

由表5計(jì)算結(jié)果及圖7的分析表明，橋墩墩高比的變化對(duì)橋梁跨中彎矩影響甚?。?dāng)橋墩的墩高比從0．5變化至1．0時(shí)，其值變化僅為0．602%．

根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果及圖8的分析，可以得出當(dāng)橋墩的墩高比增大時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向基頻隨之減小，最大減小幅度為8．83%，但變化幅度遠(yuǎn)小于橋墩墩高的變化幅度．若根據(jù)文獻(xiàn)［11］橋梁沖擊系數(shù)的取值方法，當(dāng)f＜1．5Hz時(shí)，沖擊系數(shù)均取0．05，則墩高比對(duì)本橋車輛荷載沖擊作用的影響可忽略不計(jì)．

根據(jù)對(duì)表7及圖9的分析表明，當(dāng)墩高比增大時(shí)，高墩側(cè)支座位移絕對(duì)值趨于較小，低墩側(cè)的支座位移絕對(duì)值則趨于增大．當(dāng)墩高比由0．5變化至0．8時(shí)，同一橋梁兩側(cè)支座處位移差值較大．

由表8的分析，在墩高比相同時(shí)，高低墩側(cè)對(duì)應(yīng)的邊跨正彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、支座位移絕對(duì)值的最大差值百分比分別為11．4%，1．5%，1．6%，64．9%，92．9%，42．3%．且差值隨著墩高比的增大而逐漸減?。?/p>

3 結(jié) 論

1）墩高比對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的靜力影響相對(duì)較小，當(dāng)墩高比由0．5變化至1．0時(shí)，除邊跨正彎矩外，其余的影響幅度均小于5%；在墩高比相同時(shí)，除邊跨正彎矩外，其余影響幅度均小于5%．

2）墩高比對(duì)橋墩本身的靜力影響較大，當(dāng)墩高比由0．5變化至1．0時(shí)，墩頂彎矩最大變化幅度為25．52%，墩底彎矩最大變化幅度為34．6%；在墩高比相同時(shí)，2墩墩頂彎矩、墩底彎矩最大差值的百分比分別為64．88%，92．9%．

3）在連續(xù)剛構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)中，當(dāng)受地形限制而不能采用等高主墩時(shí)，可采用具有相同截面的不等高雙肢薄墩．但上部需在主梁高墩側(cè)邊跨加強(qiáng)底板抗彎預(yù)應(yīng)力束，并在主橋兩側(cè)設(shè)置不同類型的伸縮縫；下部橋墩的配筋應(yīng)滿足橋梁的受力要求．

［1］王鈞利，賀拴海．大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主墩類型及設(shè)計(jì)尺寸優(yōu)化［C］／／中國公路學(xué)會(huì)橋梁與結(jié)構(gòu)分會(huì)2006年全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，北京：人民交通出版社，2006：161－166．

［2］徐君蘭，顧安邦．連續(xù)剛構(gòu)橋主墩剛度合理性的探討［J］．公路交通科技，2005，22（2）：59－62．

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