高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋受力性能分析

周遠(yuǎn)智 朱金波 胡靖

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著西南地區(qū)高速公路的不斷發(fā)展，高速公路向地形起伏更大的地區(qū)延伸。當(dāng)采用連續(xù)剛構(gòu)橋[1-2]跨越較寬溝谷時(shí)，若僅布置一個(gè)主跨會(huì)導(dǎo)致過渡墩、引橋墩墩高較大及個(gè)數(shù)較多，為降低過渡墩、引橋墩墩身高度及數(shù)量，需要布置多個(gè)主跨，形成了山區(qū)地形所特有的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[3-5]。此類橋梁具有受力復(fù)雜及穩(wěn)定性難以滿足的特點(diǎn)。下面以李子溝特大橋?yàn)槔瑢?duì)此類橋梁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，以期積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并提供參考。

1 工程概況

1.1 總體布置

李子溝特大橋是都勻至香格里拉高速公路貴州境內(nèi)的一座特大橋，全橋分左、右幅，結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立,主跨均為90 m+3×170 m+90 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主橋橋型布置圖略。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1) 設(shè)計(jì)車荷。公路-I級(jí)。

2) 設(shè)計(jì)車速。80 km/h。

3) 橋面寬度。0.5 m(防撞護(hù)欄)+11.25 m(車行道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)=12.25 m。

4) 橋面縱坡。i=1.5%。

5) 橋梁平面線形。主橋均位于直線范圍內(nèi)。

6) 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，橋區(qū)地震基本烈度為7度，設(shè)防措施等級(jí)8度。

7) 設(shè)計(jì)洪水頻率。1/300，本橋不受最高洪水位控制因素影響。

8) 環(huán)境類別。I類。

9) 設(shè)計(jì)安全等級(jí)。一級(jí)。

2 橋梁設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)荷載及參數(shù)

1) 一期恒載。按實(shí)際截面尺寸計(jì)算，橫隔梁按集中力施加在結(jié)構(gòu)上。主要材料鋼筋混凝土容重取值26 kN/m3。

2) 二期恒載。橋面現(xiàn)澆層、瀝青混凝土及防撞護(hù)欄荷載合計(jì)按75 kN/m計(jì)。

3) 收縮徐變。收縮徐變參數(shù)按JTG D62-2004 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》 取值。

4) 沉降。主墩基礎(chǔ)及邊跨支撐沉降按1 cm取值。

5) 可變荷載。汽車按公路-I級(jí)、3車道計(jì)算，計(jì)入橫向偏載系數(shù)1.15及車道縱橫向折減系數(shù)；溫度荷載按設(shè)計(jì)合龍溫度10～20 ℃，整體升溫20 ℃，整體降溫20 ℃考慮；風(fēng)荷載參與汽車組合時(shí)，橋面高度處風(fēng)速取值25 m/s計(jì)算。

6) 地震荷載。本橋?qū)儆贏類橋梁，采用50年超越概率10%和50年超越概率2% 2種地震動(dòng)水平進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。

2.2 箱梁主要尺寸

箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用單箱單室截面，箱頂寬12.25 m，底寬6.5 m；箱梁0號(hào)梁段梁高為10.5 m，現(xiàn)澆段和合龍段梁高均為3.8 m，其間梁底下緣曲線按1.8次方拋物線變化；箱梁頂板跨中厚度為30～120 cm，梁端支承段為120 cm，頂面設(shè)單向2%橫坡；箱梁底板厚32～130 cm；箱梁腹板厚50～120 cm。箱梁墩頂截面見圖1，箱梁跨中截面見圖2。

圖1 箱梁墩頂截面(單位：cm)

圖2 箱梁跨中截面(單位：cm)

2.3 橋墩形式

兩邊主墩采用2片薄壁墩組成，每片薄壁墩采用箱型截面，橫橋向9.0 m，順橋向3.2 m；兩中主墩縱向上部80 m范圍內(nèi)由2片薄壁墩組成，截面形式及尺寸與兩邊主墩相同，下部由2片薄壁墩連接組合成整箱，該段橋墩為單箱三室型截面，橫橋向?qū)?.0 m、縱橋向?qū)?2 m。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

李子溝特大橋連續(xù)剛構(gòu)主橋的縱向平面桿系計(jì)算采用橋梁博士(V3.5.0)進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)離散圖見圖3，主橋箱梁共244個(gè)單元；橋墩單元共315個(gè)。

圖3 結(jié)構(gòu)離散圖

3.1 箱梁持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

持久狀況承載能力極限狀態(tài)見圖4、圖5。

圖4 最大負(fù)彎矩承載能力極限狀態(tài)包絡(luò)圖

圖5 最大正彎矩承載能力極限狀態(tài)包絡(luò)圖

根據(jù)計(jì)算，箱梁持久狀況承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

3.2 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算

1) 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力抗裂驗(yàn)算。按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)其短期效應(yīng)組合下的正截面上、下緣應(yīng)力包絡(luò)見圖6。

圖6 短期效應(yīng)組合正截面應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖6可知，箱梁根部上緣(1號(hào)梁段靠橋墩一側(cè))最小0.73 MPa，墩頂范圍內(nèi)上緣最小應(yīng)力為1.06 MPa，跨中下緣最小應(yīng)力為1.69 MPa。均滿足規(guī)范正截面抗裂要求。

按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)其短期效應(yīng)組合下斜截面應(yīng)力包絡(luò)見圖7。

圖7 短期效應(yīng)組合斜截面應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖7可知，在不考慮豎向預(yù)應(yīng)力作用下，箱梁最大主拉應(yīng)力1.0 MPa，滿足規(guī)范要求小于1.096 MPa。

2) 箱梁持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。箱梁在正常使用極限狀態(tài)下，截面上、下邊緣混凝土壓應(yīng)力見圖8。

圖8 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖8可知，最大壓應(yīng)力17.0 MPa，滿足規(guī)范要求小于17.75 MPa。

3) 鋼束應(yīng)力。受拉區(qū)鋼束最大拉應(yīng)力均小于1 209 MPa，滿足規(guī)范要求。

4) 正常使用極限狀態(tài)下箱梁跨中撓度驗(yàn)算。箱梁按短期荷載效應(yīng)組合計(jì)算主跨跨中最大長期撓度值，消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度值為36.7 mm，小于規(guī)范L/600=283.3 mm規(guī)定，滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)撓度的要求。

3.3 橋墩結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.3.1持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

主橋橋墩基本對(duì)稱，選取結(jié)構(gòu)受力最不利的2種類型橋墩計(jì)算，分別為14號(hào)主墩及12號(hào)主墩。其極限承載能力包絡(luò)圖見圖9。

圖9 極限承載能力彎矩包絡(luò)圖

由極限承載能力彎矩包絡(luò)圖可知，2種最不利橋墩類型各截面均滿足承載能力要求。

3.3.2正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算

計(jì)算高度分別取主墩墩身高度：11號(hào)主墩墩高82 m、12號(hào)主墩墩高138 m、13號(hào)主墩墩高133 m、14號(hào)主墩墩高97 m。4個(gè)主墩墩身在正常使用極限狀態(tài)下的最大裂縫分布見圖10。由圖10可知，11號(hào)及14號(hào)邊墩受力最不利，最大裂縫為0.10 mm，均滿足規(guī)范6.4.2條鋼筋混凝土構(gòu)件0.20 mm的限值要求。

圖10 橋墩裂縫分布圖 (單位：mm)

3.3.3穩(wěn)定性驗(yàn)算

橋墩穩(wěn)定性采用midas 2015進(jìn)行驗(yàn)算。

1) 施工階段穩(wěn)定性驗(yàn)算。分別驗(yàn)算了2種不同橋墩形式，驗(yàn)算荷載考慮施工荷載及風(fēng)荷載。

14號(hào)主墩施工階段最大懸臂狀態(tài)下橋墩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖11。

圖11 14號(hào)主墩施工階段最大懸臂狀態(tài)下橋墩穩(wěn)定計(jì)算

經(jīng)計(jì)算可知，一階失穩(wěn)為縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為8.51；二階失穩(wěn)為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為18.2。12號(hào)主墩施工階段最大懸臂狀態(tài)下橋墩穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖12。

圖12 12號(hào)主墩施工階段最大懸臂狀態(tài)下橋墩穩(wěn)定計(jì)算

由計(jì)算可知，一階失穩(wěn)為縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為10.1；二階失穩(wěn)為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為13.0。

2) 運(yùn)營階段穩(wěn)定性驗(yàn)算。

全橋運(yùn)營階段穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見圖13。

圖13 全橋運(yùn)營階段穩(wěn)定性驗(yàn)算

由計(jì)算可知，全橋運(yùn)營階段一階失穩(wěn)為縱向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為11.5；二階失穩(wěn)為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為14.6。以上分析表明，12號(hào)及14號(hào)橋墩結(jié)構(gòu)及全橋結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范，一類穩(wěn)定安全系數(shù)不小于4的要求，具有足夠穩(wěn)定安全性。

4 結(jié)語

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在山區(qū)尤為常見，本文分析了在建李子溝特大橋的力學(xué)性能，計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)在各階段受力及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，建成后可為同類橋梁的施工設(shè)計(jì)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有參考意義。