墩高受限時(shí)裝配式組合連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)構(gòu)造及性能研究

朱虎勇，邵 帥，高燕梅,2，周志祥，2

( 1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,重慶 400074)

裝配式鋼桁-混凝土(Prefabricated Steel Truss-Concrete，PSTC)組合連續(xù)剛構(gòu)橋是將現(xiàn)有鋼桁-混凝土組合梁橋與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行組合而發(fā)展成的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)采用工廠預(yù)制桁架節(jié)段與混凝土橋道板，待鋼桁梁安裝完成后，再根據(jù)受力需要對(duì)稱安裝預(yù)制橋道板，橋面板間通過(guò)黏結(jié)膠及張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束形成整體橋道板，預(yù)制橋道板全部安裝到位后，焊接在橋道板中預(yù)埋的裝配式剪力鍵豎鋼板與鋼桁完成聯(lián)結(jié)[2-3]。該結(jié)構(gòu)具有自重輕、承載力高、抗震性能好和剛度大等優(yōu)點(diǎn)外[4-5]，由于大部分結(jié)構(gòu)采用了完全預(yù)制裝配式的理念，在很大程度上克服了現(xiàn)澆混凝土收縮徐變不定性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期可靠性的不利影響，縮短工期，又使預(yù)應(yīng)力全部由預(yù)制橋道板承擔(dān)，提高了有效預(yù)應(yīng)力度，符合世界橋梁建設(shè)發(fā)展的總趨勢(shì)[6]。與常規(guī)的鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁橋相比，PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋可提高結(jié)構(gòu)的跨越能力，同時(shí)在懸臂拼裝時(shí)采用墩梁固結(jié)，簡(jiǎn)化了施工，減少了大噸位支座的使用，在綜合效益上具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋常常采用薄壁柔性墩以滿足墩頂在水平力作用下可以發(fā)生較大的水平位移，墩高一般不得小于20 m[7]。但為了擴(kuò)展PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋的適用范圍，同時(shí)作為特大跨PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋的前期探索，選取了主跨跨徑為70 m的橋梁作為依托工程，但橋位處橋墩高度受到限制，因此需要尋找一種適應(yīng)于矮墩的墩梁固結(jié)方式。以往也有針對(duì)連續(xù)剛構(gòu)墩梁固結(jié)形式進(jìn)行的研究，干海子大橋采用主梁下弦鋼管與橋墩直接焊接的方式完成墩梁固結(jié)[8]，北千曲川橋采用箱形鋼主梁貫穿鋼筋混凝土橋墩頂部的方式完成墩梁固結(jié)[9]。聶建國(guó)也提出了適合于組合剛構(gòu)橋的墩梁聯(lián)接構(gòu)造[10]，如鋼筋錨固式、錨桿式、鋼柱結(jié)合式、局部承壓式、鋼板錨固式、鋼套筒式等。雖然上述各種構(gòu)造處理均正確有效，但并不能完全滿足這種新型橋梁結(jié)構(gòu)的受力要求。

本文在研究鋼桁梁受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋施工和運(yùn)營(yíng)階段的受力特點(diǎn)，對(duì)橋墩高度受限情況下的墩梁聯(lián)結(jié)合理構(gòu)造進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化分析。

1 工程背景

1.1 工程概述

作為特大跨裝配式鋼桁-混凝土組合連續(xù)剛構(gòu)橋的前期探索，工程為主跨跨徑70 m、跨徑布置為(41+70+41)m的PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋，見(jiàn)圖1。分左右兩幅，雙幅總寬33.0 m。橋面板為分節(jié)段預(yù)制的混凝土橋道板，與鋼桁梁通過(guò)剪力鍵焊接連接。橋墩采用雙薄壁柱式混凝土墩，設(shè)計(jì)高度采用1#墩高為8.35 m、2#墩高為9.45 m的矮墩結(jié)構(gòu)，為減小橋墩的橫向抗推剛度，橋墩橫橋向亦設(shè)計(jì)為柱式，頂部連接為整體，順橋向壁厚取為1.0 m，雙薄壁墩間凈距2.0 m。

圖1 PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋(單位：mm)

1.2 PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋施工方法

PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋施工方法打破了傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)施工幾何線形難以控制的局限，采用預(yù)制裝配式的理念，實(shí)現(xiàn)施工快速化的同時(shí)減少了高空作業(yè)的時(shí)間，提高了施工安全性，保證了施工質(zhì)量。其中主體結(jié)構(gòu)的施工步驟主要有：

1)在已建墩臺(tái)上安裝鋼桁，形成鋼桁連續(xù)梁橋。

2)以墩頂軸線對(duì)稱安裝預(yù)制橋道板，安裝一對(duì)橋道板，相鄰橋道板結(jié)合界面涂刷環(huán)氧樹(shù)脂，并張拉對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束，橋道板安裝完成后，預(yù)埋焊接PCSS剪力鍵的豎向鋼板，完成橋道板與鋼桁的連接。

3)安裝橋面鋪裝及其他附屬設(shè)施，完成墩梁固結(jié)施工。

1.3 墩梁連接部位受力優(yōu)化分析

常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)梁橋的墩高一般高于20 m，柔性橋墩在力的作用下，墩頂會(huì)產(chǎn)生較大水平位移，因此向墩底傳遞的水平力較小。對(duì)于墩高受限的連續(xù)剛構(gòu)梁橋，墩身剛度大，墩頂產(chǎn)生的水平位移有限，所以必須采取其他措施減少水平力傳遞。

圖2 墩梁連接節(jié)點(diǎn)示意

施工階段中，由于上部結(jié)構(gòu)自重作用時(shí)內(nèi)力自平衡，鋼桁吊裝至墩頂時(shí)，在節(jié)點(diǎn)A，B處僅傳遞豎向力(見(jiàn)圖2)。在溫度和風(fēng)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)A，B主要傳遞水平力。為避免墩底產(chǎn)生較大水平力，墩梁連接處在施工階段釋放水平約束，僅向下安全地傳遞豎向力，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)受力形式為連續(xù)梁體系；在運(yùn)營(yíng)階段，橋梁整體結(jié)構(gòu)除受施工階段的力外還受收縮、徐變及長(zhǎng)時(shí)間溫度和風(fēng)荷載作用，采取相應(yīng)措施約束上部結(jié)構(gòu)的水平位移，此時(shí)墩梁連接處傳遞水平力及豎向力，結(jié)構(gòu)受力形式為連續(xù)剛構(gòu)體系。

墩底應(yīng)力主要是由墩底截面軸力和彎矩產(chǎn)生，軸力產(chǎn)生的均勻壓應(yīng)力對(duì)混凝土墩并無(wú)威脅，而彎矩作用會(huì)在截面一邊產(chǎn)生拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)受力不利。通過(guò)設(shè)置部分水平約束的墩梁聯(lián)結(jié)構(gòu)造，減小上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力向下傳遞，可顯著降低墩底彎矩，減小墩底拉應(yīng)力。

2 矮墩PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁聯(lián)結(jié)構(gòu)造

為保證橋墩高度受限的情況下，PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)水平力和豎向力的傳遞滿足受力和變形的需要，依據(jù)不同狀態(tài)的受力要求，提出了適應(yīng)于矮墩的帶抗推擋塊的預(yù)埋件式墩梁聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)造，見(jiàn)圖3。

圖3 墩梁聯(lián)結(jié)關(guān)鍵構(gòu)造

2.1 關(guān)鍵構(gòu)造

關(guān)鍵構(gòu)造主要由鋼錨固牛腿和墩頂預(yù)埋件2大部分組成。墩頂預(yù)埋件是由抗推擋塊、精軋螺紋鋼筋、抗剪栓釘群焊接而成的整體受力構(gòu)件。

外伸鋼錨固牛腿連接鋼桁架與墩頂預(yù)埋件，設(shè)置在墩頂下弦桿節(jié)點(diǎn)兩側(cè)，同時(shí)，精軋螺紋鋼筋穿過(guò)鋼牛腿錨固，作為錨固的支點(diǎn)，鋼牛腿增大了錨固的受力面；抗推擋塊布置在順橋向的鋼牛腿內(nèi)側(cè)，起到承擔(dān)墩頂水平推力和墩頂桁架節(jié)段限位的雙重作用；精軋螺紋鋼筋預(yù)埋于墩頂，鋼桁安裝時(shí)精軋螺紋鋼筋從牛腿預(yù)留孔內(nèi)穿出，完成鋼桁梁與薄壁墩連接，并平衡上部結(jié)構(gòu)不平衡彎矩產(chǎn)生拉拔力；抗剪栓釘群焊接于鋼板上，布置在抗推擋塊下方，通過(guò)鋼板與擋塊連接成整體，傳遞和擴(kuò)散水平方向的剪力。

根據(jù)施工階段墩梁連接處的受力性能可知，此階段的上部結(jié)構(gòu)均為連續(xù)梁受力體系。墩頂抗推擋塊與外伸鋼牛腿間預(yù)留10 mm空隙，使墩頂鋼桁架可自由產(chǎn)生水平滑移，主梁的水平力得以釋放，僅有豎向力傳遞給下部結(jié)構(gòu)。此時(shí)上部結(jié)構(gòu)可以在支點(diǎn)處自由發(fā)生撓曲轉(zhuǎn)動(dòng)。

成橋后完成墩梁固結(jié)施工，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換為連續(xù)剛構(gòu)橋梁體系?？勺冏饔卯a(chǎn)生的豎向壓力繼續(xù)通過(guò)鋼牛腿直接傳遞給下部結(jié)構(gòu)。對(duì)每一根豎向精軋螺紋鋼筋施加擰緊扭力，以平衡上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉拔力。而實(shí)際由于上部結(jié)構(gòu)向下傳遞的豎向力非常大，錨桿在承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下均不承擔(dān)上拔力，僅作為安全措施，采用精軋螺紋鋼筋即可。上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力由鋼牛腿傳遞給與之接觸的抗推擋塊，并通過(guò)底鋼板將水平力分配到抗剪栓釘群承受，進(jìn)一步傳遞至下部結(jié)構(gòu)，成橋階段傳力路徑如圖4。

圖4 成橋階段傳力路徑

2.2 墩梁連接部位施工工藝

將精軋螺紋鋼筋、抗推擋塊、抗剪栓釘群安裝在墩頂指定位置，澆筑墩頂混凝土。為了防止精軋螺紋鋼筋抗剪及受拉時(shí)將墩頂混凝土拉裂，將墩頂面以下300 mm的精軋螺紋鋼用PVC套管包裹，保證精軋螺紋鋼與墩頂混凝土無(wú)黏結(jié)，避免其承受水平力作用；同時(shí)為了防止下弦桿和墩頂連接的地方積水，下弦桿和墩頂接觸的墩頂標(biāo)高比兩側(cè)高出10 mm。鋼桁梁安裝時(shí)，將下弦桿牛腿的預(yù)留孔洞對(duì)準(zhǔn)，使精軋螺紋鋼從其中穿過(guò)，再進(jìn)行部分?jǐn)Q緊錨固，作為抵消上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉拔力的安全措施，同時(shí)，下弦鋼牛腿與抗推擋塊、抗剪栓釘群預(yù)埋構(gòu)件間均預(yù)留10 mm間隙，僅由鋼板傳遞上部結(jié)構(gòu)和薄壁墩間的力，其水平約束可忽略不計(jì)，此時(shí)墩梁連接處相當(dāng)于僅傳遞豎向力的固定支座。

完成橋面鋪裝及附屬設(shè)施施工后，采用扭力扳手?jǐn)Q緊精軋螺紋鋼筋，并制作相應(yīng)的鋼墊板塞緊抗推擋塊與下弦鋼牛腿間間隙，牢固焊接使之形成整體受力構(gòu)件，同時(shí)牛腿與墩頂預(yù)埋鋼板間亦施行焊接連接，同時(shí)對(duì)錨固端涂抹環(huán)氧樹(shù)脂作防腐處理，完成墩梁固結(jié)。

3 有限元模型的建立和分析

3.1 全橋模型的建立

以實(shí)體工程為例，采用MADIS/Civil有限元軟件建立全橋模型，各桿件均采用梁?jiǎn)卧M，見(jiàn)圖5。連接關(guān)系處理：墩梁連接構(gòu)造采用彈性連接模擬，在安裝鋼桁單元時(shí)激活鋼桁與橋墩間的彈性連接，并將彈性連接僅設(shè)置Dx方向剛度值，以此模擬鋼桁放置在橋墩上僅向下傳遞豎向力的狀態(tài)。待全橋橋道板及其他附屬設(shè)施安裝完成后，再將彈性連接方式更換為剛性連接，成為剛構(gòu)體系承受后期荷載。

圖5 全橋有限元模型

左側(cè)橋墩在成橋初期及成橋后期的應(yīng)力圖見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，在施工完成后，橋墩有至少有1 MPa 的富余壓應(yīng)力，而在混凝土收縮徐變、溫度變化、汽車制動(dòng)力等引起的水平力作用下，墩底也未出現(xiàn)拉應(yīng)力。由分析可知，一期恒載作用下，鋼桁節(jié)點(diǎn)內(nèi)力自平衡，墩梁結(jié)合處僅傳遞豎向壓力，使墩身具有壓應(yīng)力的儲(chǔ)備；在后期外荷載作用下，墩梁連接構(gòu)造有效地平衡與傳遞上部結(jié)構(gòu)的力，改善了薄壁墩的受力性能。

圖6 橋墩應(yīng)力分布(單位：MPa)

3.2 墩梁連接局部精細(xì)化模型的建立

為了驗(yàn)證PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁連接構(gòu)造的合理可靠性，建立局部實(shí)體有限元模型，以考察荷載作用下墩梁連接構(gòu)造的局部受力狀態(tài)。首先整體模型中利用荷載追蹤，可以求得墩梁連接構(gòu)造受力最不利工況下的桿件內(nèi)力，再將此內(nèi)力加載于局部模型。局部節(jié)段模型鋼結(jié)構(gòu)與混凝土均采用實(shí)體單元模擬，為簡(jiǎn)化模型，取橋墩一半進(jìn)行建模，橋墩側(cè)面采用對(duì)稱邊界約束條件，墩底面為固結(jié)邊界，圖7。抗剪栓釘群及錨桿采用內(nèi)嵌于混凝土的約束形式，弦桿采用綁定的約束形式，以此模擬關(guān)鍵構(gòu)造間的連接關(guān)系。鋼材間的共同作用采用“硬”接觸模擬。

圖7 局部有限元模型

墩梁固結(jié)構(gòu)造在最不利荷載工況作用下的應(yīng)力分布見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，鋼牛腿與下弦連接處有小部分的應(yīng)力集中，可能由于構(gòu)件尺寸突變、網(wǎng)格劃分影響等造成，由于面積較小，對(duì)于墩梁連接的性能尚不構(gòu)成影響；抗推擋塊與抗剪栓釘群受力均勻，無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域，水平推力通過(guò)抗推擋塊傳遞到底部的抗剪栓釘群，在擋塊下方栓釘群應(yīng)力大于其他區(qū)域。

圖8 墩梁固結(jié)構(gòu)造應(yīng)力分析結(jié)果(單位：MPa)

4 結(jié)論

PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋充分結(jié)合了鋼和混凝土的材料優(yōu)勢(shì)，顯著地簡(jiǎn)化了施工工藝，使各施工環(huán)節(jié)和質(zhì)量易控制，同時(shí)受力明確，基本解決了混凝土收縮、徐變和開(kāi)裂引起的撓度過(guò)大的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定可靠。本文針對(duì)PSTC組合連續(xù)剛構(gòu)橋，提出了墩高受限情況下的墩梁固結(jié)處理措施，并對(duì)其力學(xué)行為進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)利用精軋螺紋鋼筋的張拉錨固和鋼牛腿、抗推擋塊、抗剪栓釘群的整體焊接保證上部結(jié)構(gòu)的傳力，同時(shí)改善了橋墩在水平力作用下的受力狀態(tài)，解決了矮墩修建連續(xù)剛構(gòu)橋的局限，具有構(gòu)造簡(jiǎn)潔，施工簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2)施工階段的主跨結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁受力，支點(diǎn)處放置于墩頂預(yù)埋鋼板上，僅有豎向力通過(guò)鋼牛腿直接傳遞給下部結(jié)構(gòu)。待成橋后施行墩梁固結(jié)成為剛構(gòu)體系承受運(yùn)營(yíng)階段荷載作用，水平推力通過(guò)抗推擋塊和底部的抗剪栓釘群傳遞到薄壁墩，豎向壓力繼續(xù)通過(guò)鋼牛腿傳遞給下部結(jié)構(gòu)，精軋螺紋鋼筋平衡意外情況下可能出現(xiàn)的拉拔力。

3)建立實(shí)體工程的全橋有限元模型，分析了薄壁橋墩從施工到成橋的力學(xué)行為，同時(shí)對(duì)擋塊式牛腿構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)化建模分析。結(jié)果表明，擋塊式牛腿墩梁連接構(gòu)造可有效改善墩高受限時(shí)裝配式鋼桁-混凝土組合連續(xù)剛構(gòu)的墩身受力性能，可供桁式連續(xù)剛構(gòu)橋梁參考。

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