高寒山區(qū)高墩結(jié)構(gòu)的分析

寧 宇

(沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110013)

0 引言

隨著我國交通網(wǎng)的日趨完善，許多山區(qū)通了高鐵，高速公路，盤山道正逐漸在減少。山區(qū)由于其地形地貌特征，地面高差較大，修建橋梁往往以高墩結(jié)構(gòu)為主。因此高墩結(jié)構(gòu)就成為山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重點。

結(jié)合位于長白山附近的實際工程對高寒山區(qū)跨河橋梁的高墩結(jié)構(gòu)進行了力學分析，尋找控制此類橋墩設(shè)計的主要因素。

1 工程概況

1.1 橋式布置

長白山附近省道，整體式雙車道路基寬度為11.5 m，位于R=1 580 m半徑曲線上。橋梁跨徑采用4聯(lián)3-40 m+1聯(lián)4-40 m預應(yīng)力混凝土簡支變連續(xù)T梁，橋面為凈10.5+2×0.5防撞護欄，下部結(jié)構(gòu)3號～12號墩采用空心橋墩，5號～6號墩采用樁基礎(chǔ)，其余橋墩采用挖井基礎(chǔ)。該橋最高橋墩達58.7 m。橋梁立面見圖1。

1.2 高墩結(jié)構(gòu)形式[4]

空心墩一般包括實體過渡段、空心段和隔板。空心墩的實體過渡段有兩部分，一是空心墩頂帽以下，二是墩身與基礎(chǔ)連接處。頂帽以下設(shè)置過渡段，是為了使支座反力較均勻地傳至墩壁，并減少汽車沖擊力對墩壁的影響。墩身和基礎(chǔ)設(shè)實體過渡段，是為了使墩壁應(yīng)力能擴大傳到基底，使基底應(yīng)力分布較為均勻?？招亩丈舷聦嶓w段與墩壁連接處，應(yīng)力分布比較復雜，從實測試驗資料分析，當頂板厚度為1.0 m時，試驗結(jié)果在頂帽以下D/2處應(yīng)力才均勻分布于壁上。固端干擾力矩使墩壁應(yīng)力增大40%～76%。當頂帽以下實體段為3.0 m時，頂帽實體段與空心墩壁連接處仍有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但截面應(yīng)力較小，一般不控制設(shè)計。

墩身超過40 m空心橋墩，墩壁不宜過薄，墩身較高時采用厚壁較多?？招臉蚨赵O(shè)置橫隔板，目的是增強整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定，增強橋墩的抗扭、抗震能力。為了調(diào)節(jié)墩內(nèi)外溫差，減少施工中的混凝土的水化熱對墩內(nèi)溫度的影響，排除墩內(nèi)積水，還應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的通氣孔，排水孔。本工程空心墩墩頂實體段2 m、墩底實體段3 m，墩壁厚0.7 m，倒角半徑0.5 m，8 m～9 m設(shè)置一道0.4 m厚橫隔板。橋墩構(gòu)造見圖2。

2 結(jié)構(gòu)計算

2.1 建模

對于本高墩結(jié)構(gòu)采用Midas Civil 2017軟件進行計算，根據(jù)不同墩高，取3×40 m一聯(lián)整體建模，對應(yīng)橋墩為3號～6號橋墩(其中4號橋墩墩高39.8 m，5號橋墩墩高58.7 m)。上部結(jié)構(gòu)按梁格法建模，縱梁之間采用橫向聯(lián)系梁進行聯(lián)接，橫向聯(lián)系梁根據(jù)實際情況采用對稱或非對稱t形截面。采用彈性連接模擬支座，其剛度采用板式橡膠支座的抗壓、抗剪切剛度。橋墩采用空心薄壁截面，墩底偏保守考慮按固結(jié)建模。整體模型見圖3。

2.2 作用

2.2.1永久作用[1]

永久作用包括結(jié)構(gòu)(考慮防水層及路面)自重、預應(yīng)力、混凝土的收縮徐變及基礎(chǔ)變位作用。其中支座沉降按1 cm計算，一聯(lián)內(nèi)最少考慮一個墩的沉降、最多考慮全部墩均沉降，由程序自動計算最不利內(nèi)力值。

2.2.2可變作用[1]

汽車荷載、汽車沖擊力、汽車離心力、汽車制動力、風荷載、流水壓力、冰壓力及溫度作用。

其中汽車荷載：采用公路Ⅰ級車道荷載，按單向行駛?cè)嚨啦贾?，以求出活載產(chǎn)生的最不利內(nèi)力。

汽車沖擊力：對于汽車荷載縱向整體沖擊系數(shù)μ，按照《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》第4.3.2條，沖擊系數(shù)μ可按下式計算：

當f<1.5 Hz時，μ=0.05;

當1.5 Hz≤f≤14 Hz時，μ=0.176 7ln(f)-0.015 7;

當f>14 Hz時，μ=0.45;

根據(jù)規(guī)范，計算的結(jié)構(gòu)基頻f=3.62 Hz，沖擊系數(shù)μ=0.212。

汽車離心力：按規(guī)范計算為41 kN。

汽車制動力：按規(guī)范計算為200 kN。

風荷載：設(shè)計基本風速V10=28.2 m/s，按照《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》，上部結(jié)構(gòu)橫橋向風荷載根據(jù)公式4.3.1計算；橋墩橫橋向風荷載根據(jù)公式4.4.1計算，橋墩順橋向風荷載按橫橋向風壓的70%乘以橋墩迎風面積計算。主梁橫向靜陣風荷載6.75 kN/m，墩身橫向風荷載9 kN/m，墩身縱向風荷載11 kN/m。

流水壓力：按規(guī)范計算為512 kN。

冰壓力：按規(guī)范計算為1 863 kN。

溫度作用：整體升溫17 ℃；整體降溫47 ℃。

3 計算結(jié)果分析

3.1 本橋4號橋墩內(nèi)力

混凝土的收縮徐變引起的橋墩順橋向最大彎矩分別為1 412 kN·m和348 kN·m，見圖4,圖5。

汽車荷載引起的橋墩橫橋向最大彎矩為5 200 kN·m，見圖6。

汽車離心力引起的橋墩橫橋向最大彎矩為1 262 kN·m，見圖7。

汽車制動力引起的橋墩順橋向最大彎矩為8 966 kN·m，見圖8。

風荷載引起的橋墩橫橋向及順橋向最大彎矩分別為17 560 kN·m和17 721 kN·m，見圖9,圖10。

整體升降溫引起的橋墩順橋向最大彎矩為1 293 kN·m和3 575 kN·m，見圖13，圖14。

3.2 本橋5號橋墩內(nèi)力

混凝土的收縮徐變引起的橋墩順橋向最大彎矩分別為2 079 kN·m和513 kN·m，見圖4,圖5。

汽車荷載引起的橋墩橫橋向最大彎矩為5 200 kN·m，如圖6所示。

汽車離心力引起的橋墩橫橋向最大彎矩為1 262 kN·m，見圖7。

汽車制動力引起的橋墩順橋向最大彎矩為10 476 kN·m，見圖8。

風荷載引起的橋墩橫橋向及順橋向最大彎矩分別為29 889 kN·m和26 008 kN·m，見圖9,圖10。

流水壓力引起的橋墩橫橋向最大彎矩為2 073 kN·m，見圖11。

冰壓力引起的橋墩橫橋向最大彎矩為13 223 kN·m，見圖12。

整體升降溫引起的橋墩順橋向最大彎矩為1 904 kN·m和5 265 kN·m，見圖13,圖14。

根據(jù)兩個橋墩的計算結(jié)果，高墩結(jié)構(gòu)順橋向風荷載產(chǎn)生的內(nèi)力遠大于其他荷載，其次是汽車制動力荷載和整體降溫產(chǎn)生的內(nèi)力，混凝土收縮徐變與整體升溫產(chǎn)生的內(nèi)力大小相近；高墩結(jié)構(gòu)橫橋向風荷載產(chǎn)生的內(nèi)力遠大于其他荷載，其次是冰壓力荷載、汽車荷載和流水壓力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，由于本橋曲線半徑較大汽車離心力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力較小。

由此分析，一般高墩結(jié)構(gòu)縱向為主要受力方向，其中控制高墩結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素是風荷載，風荷載產(chǎn)生的內(nèi)力要遠大于其他荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力，而且隨著墩高的加大風荷載的影響也越明顯。此外高寒地區(qū)高墩結(jié)構(gòu)所受溫度力，尤其是降溫的溫差很大，對高墩結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較大。對于高寒地區(qū)河流冬天結(jié)冰，冰壓力荷載也不容忽視。

此外高墩在自身施工完成后的裸墩狀態(tài)，墩頂暫無約束，由于僅受自重及風荷載影響，荷載值較小，對高墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響不大。

4 高墩結(jié)構(gòu)檢算內(nèi)容[5]

強度檢算：為保證橋墩在運營階段的安全，高墩應(yīng)按偏心受壓構(gòu)件進行驗算。

抗裂性檢算：保證混凝土開裂后大氣不侵蝕鋼筋，從而保證橋墩有足夠的耐久性。

墩頂水平位移檢算：過大的墩頂水平位移會影響橋跨結(jié)構(gòu)的正常使用，因此應(yīng)對高墩進行位移驗算。

穩(wěn)定性檢算：為保證橋墩承壓時不會發(fā)生縱、橫向屈曲失穩(wěn)，保證高墩的穩(wěn)定性，應(yīng)對高墩進行穩(wěn)定分析。

施工階段檢算：由于高墩在施工和運營時為不同的受力體系，為保證施工安全應(yīng)進行最大懸臂狀態(tài)檢算。

5 結(jié)語

高墩結(jié)構(gòu)，由于其高度較高，結(jié)構(gòu)尺寸較大且承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的風荷載，因此風荷載對高墩的影響非常大。在進行結(jié)構(gòu)計算時，應(yīng)重點考慮縱、橫向風荷載對高墩結(jié)構(gòu)的影響。對于高寒地區(qū)，整體升降溫效應(yīng)也是重點考慮對象。另外聯(lián)間墩由于墩頂設(shè)置活動支座對高墩約束比較小，容易導致空心薄壁高墩穩(wěn)定性較差，因此需注意聯(lián)間墩的設(shè)計。

通過本文對高寒山區(qū)高墩結(jié)構(gòu)從建模、計算到內(nèi)力分析，希望可以對其他類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。