填充混凝土對頂推施工中的方形鋼橋墩垂直度影響分析

唐楊

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400074)

在鋼筋混凝土橋墩中，對于高橋墩需要對其垂直度進行有效監(jiān)測。垂直度不滿足規(guī)范要求，一是影響外觀，給人不安全的感覺，重要的是由于橋墩彎曲，上部結(jié)構(gòu)和汽車荷載作用下引起偏心受力，由于重力二階效應(yīng)會惡化橋墩的受力，造成橋墩裂縫寬度和內(nèi)力成倍增加，嚴(yán)重影響橋梁的壽命和使用安全。

在橋梁工程中常見采用圓形截面鋼橋墩，并且大部分鋼外殼內(nèi)部填充混凝土。頂推施工過程由于主梁的荷載與邊界條件在不斷地改變，所以大都針對主梁在施工過程中的變形和應(yīng)力分析研究，而對橋墩的變形關(guān)注較少。對于橋墩垂直度的影響因素研究多都針對施工誤差、溫度、合龍前的頂推力等，對于頂推過程中由于摩擦造成水平偏位的研究較少。頂推施工的橋墩多是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，只有臨時橋墩才采用鋼結(jié)構(gòu)，該文研究的橋墩均采用鋼橋墩作為永久橋墩，研究填充混凝土對頂推施工的方形鋼橋墩垂直度的影響。

1 工程概況

以重慶市合川區(qū)某工程項目中2#橋為工程背景，2#橋為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁橋，橋梁全長118.08 m，跨徑布置為(3.04+16+3×24+16+3.04)m，橋?qū)?.9 m，雙向2%橫坡。上部結(jié)構(gòu)采用鋼-混凝土組合梁，橋墩設(shè)計為鋼-混凝土組合墩，后來由于施工工期緊張，取消了方形鋼橋墩的混凝土填充。為考慮有無混凝土填充對方形鋼橋墩在頂推施工中垂直度的影響，下文將考慮兩種模式進行結(jié)構(gòu)分析。

橋墩的材料采用Q345qDNH耐候鋼，墩柱工字形截面高1 000 mm，上下翼緣寬800 mm，上下翼緣板厚度32 mm，腹板20 mm，工字形槽內(nèi)設(shè)置槽形加勁肋，加勁肋間距1.2 m，加勁肋厚度16 mm，工形柱槽最后用16 mmQ345qDNH鋼板封槽，形成完整的方形鋼橋墩。以最先頂推的P4號墩為例，橋墩結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，各板件尺寸見表1。

圖1 鋼柱結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

表1 鋼板尺寸表

2 現(xiàn)場觀測與有限元建模

一般情況下，頂推過程中的墩頂水平位移監(jiān)測多采用全站儀法和百分表法，該項目現(xiàn)場觀測通過全站儀測量布置于墩頂?shù)姆垂馄鴺?biāo)。全站儀型號為拓普康DS-101AC，對測量數(shù)據(jù)采用CAD計算繪圖得到橋墩的順橋向和橫橋向水平位移。

有限元建模的材料參數(shù)設(shè)置為：Q345qDNH鋼重度78.5 kN/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。C40混凝土重度25 kN/m3，彈性模量32 500 MPa，泊松比0.2。先采用Midas/Civil建立全橋桿系模型，計算得到頂推過程中該橋墩最大豎向支反力為450 kN，然后采用Abaqus建立板殼實體有限元模型詳細分析。

模型1僅模擬鋼橋墩外殼，不考慮填充混凝土，鋼板采用C3D8R單元模擬，鋼柱大部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，唯有橋墩頂部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用自由網(wǎng)格劃分，共劃分19 652個單元。查閱相關(guān)資料，常用鋼鐵之間的靜摩擦系數(shù)為0.1～0.3，由于耐候鋼布滿鐵銹，表面粗糙摩擦因數(shù)按0.3考慮，則水平推力為135 kN，簡化采用均布面力施加于鋼柱與頂推鋼梁的支承面上，按1.2 MPa施加于模型上，同時在支承面施加450 kN的豎向壓力。橋墩底部簡化考慮為固結(jié)，同時考慮鋼板和混凝土的自重。

模型2考慮鋼橋墩在內(nèi)部填充混凝土對橋墩結(jié)構(gòu)的影響，此時忽略內(nèi)部槽形加勁肋的構(gòu)造，混凝土同樣采用C3D8R單元模擬，共劃分46 100個單元，鋼板與混凝土之間采用面與面接觸模擬，混凝土四周和頂部與鋼板網(wǎng)格相同，從而實現(xiàn)節(jié)點耦合，對比相關(guān)文獻資料，切向行為的摩擦因數(shù)采用0.4，為了便于收斂，法向行為采用指數(shù)形式的“軟接觸”形式，其他荷載和邊界條件與模型1相同。有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼柱和內(nèi)部填充混凝土模型

3 實測與理論分析結(jié)果

3.1 現(xiàn)場實測

在每次頂推前后分別測量墩頂反光片的坐標(biāo)，計算得到橋梁順橋向和橫橋向的水平位移，順橋向以鋼主梁頂推方向為正方向，橫橋向以面向順橋向正方向的右手側(cè)方向為正方向，觀測結(jié)果如表2所示。

表2 P4墩墩頂位移實測結(jié)果

由表2可以看出：橋墩主要出現(xiàn)順橋向位移，橫橋向位移與順橋向位移相比可以忽略不計，這與鋼主梁的頂推方向是一致的。較小的橫橋向位移可能是由于頂推過程中兩側(cè)鋼主梁沒有同時頂推，造成頂推方向與橋梁縱軸線產(chǎn)生夾角，從而導(dǎo)致了橫橋向位移的產(chǎn)生。同時可以看出，雖然鋼主梁頂推方向不變，但是鋼橋墩順橋向的位移卻是有正有負，說明在整個頂推過程中，橋墩并沒有發(fā)生單獨一側(cè)的水平位移。

3.2 有限元結(jié)果分析

3.2.1 模型1

模型1與工程實際相同，內(nèi)部沒有填充混凝土，結(jié)構(gòu)順橋向位移云圖如圖3所示，橫橋向位移云圖如圖4所示。

圖3 模型1順橋向位移云圖(單位：mm)

圖4 模型1橫橋向位移云圖(單位：mm)

由圖3、4可見，模型1順橋向最大位移為2.261 mm，出現(xiàn)在墩頂頂板的一角，橫橋向最大位移不足0.002 mm，出現(xiàn)在靠近墩底的鋼柱外殼棱線上，可見主橋順橋向頂推過程中，鋼橋墩的水平位移也主要由順橋向位移控制。

3.2.2 模型2

工程中鋼橋墩內(nèi)部更多的采用填充混凝土的形式，填充混凝土不僅可以增強橋墩抗彎剛度，還可以增強鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，尤其在高橋墩中。模型2考慮了填充混凝土，在頂推過程中鋼-混凝土組合橋墩鋼外殼順橋向位移云圖如圖5所示，鋼外殼橫橋向位移云圖如圖6所示。

圖5 模型2鋼外殼順橋向位移云圖(單位：mm)

圖6 模型2鋼外殼橫橋向位移云圖(單位：mm)

由圖5、6可見：模型2順橋向最大位移為1.517 mm，同樣出現(xiàn)在墩頂頂板的一角，橫橋向最大位移不足0.003 mm，出現(xiàn)在柱頂鋼板一邊緣線的中間位置。由此可知：主橋順橋向頂推過程中鋼外殼的水平位移也主要由順橋向位移控制。

對于內(nèi)部填充混凝土，內(nèi)部混凝土順橋向位移云圖如圖7所示，橫橋向位移云圖如圖8所示，順橋向位移大于橫橋向位移。

圖7 模型2混凝土順橋向位移云圖(單位：mm)

圖8 模型2混凝土橫橋向位移云圖(單位：mm)

取鋼柱一棱邊，以墩底到墩頂為取值路徑，查看墩柱豎向各點在水平方向變形的情況，豎向各點位移變化曲線如圖9所示。

圖9 豎向路徑順橋向位移圖

由圖9可以看出：鋼柱棱邊的水平位移呈現(xiàn)線性關(guān)系，靠近墩底為0，墩頂最大，由此可以看出結(jié)構(gòu)處于較為安全的狀態(tài)。

3.3 墩高對墩頂位移的影響分析

在原模型的基礎(chǔ)上，加長原來墩高，采用相同荷載與邊界條件，分別建立5、8、10、12 m墩高的填充混凝土橋墩模型和不填充混凝土橋墩模型，共計4組模型，將得到的墩頂水平位移統(tǒng)計如表3所示。

表3 不同墩高墩頂位移

為了得到墩高的變化對兩種不同結(jié)構(gòu)形式(填充混凝土和不填充混凝土)墩頂位移的影響，墩頂位移隨著墩高的變化趨勢如圖10所示。

圖10 墩高-墩頂位移圖

由圖10可以看出：隨著墩高的增加，頂推所造成的墩頂順橋向位移不斷加劇，而且墩頂位移的變化率逐漸增大；同時再次說明無論橋墩高低，鋼橋墩內(nèi)填充混凝土可以有效控制墩頂位移的增大，而且橋墩越高，其效果越明顯。

采用Matlab對不同墩高下墩頂位移值進行曲線擬合，用以預(yù)測其余不同墩高狀態(tài)在相同施工狀況下的墩頂位移值，如圖11、12所示。

圖11 未填充混凝土墩頂位移擬合

由于該項目共計20多座橋梁，橋墩截面尺寸完全相同，僅僅墩高不一，根據(jù)圖11、12擬合公式，可以從理論上直接計算出不同高度的鋼橋墩在頂推過程中的順橋向水平位移，從而避免多次建模計算。

3.4 結(jié)果分析

GB 50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》和JTG F801-2012《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》對鋼橋墩垂直度有相應(yīng)要求，對于10 m以下的橋墩垂直度偏差應(yīng)當(dāng)小于H/1 000 mm，對于10 m以上的橋梁結(jié)構(gòu)，鋼橋墩的垂直度偏差應(yīng)當(dāng)小于H/1 000 mm，并且小于25 mm。

圖12 填充混凝土墩頂位移擬合

根據(jù)以上實測和有限元分析，理論分析最大順橋向偏位2.26 mm，實測最大順橋向偏位2.9 mm，參考以上規(guī)范規(guī)定，以上柱高5 m，允許水平位移5 mm，有限元和實測結(jié)果均表明滿足規(guī)范要求。

根據(jù)以上結(jié)果分析，實測位移主要表現(xiàn)在順橋向位移，而橫橋向位移不起控制作用，但是相比于有限元計算值明顯偏大，可見鋼主梁在頂推過程中對橋墩產(chǎn)生了不小的橫橋向作用力，根據(jù)現(xiàn)場實際觀察分析，可能是由于兩片鋼主梁沒有同步頂推造成的，使得頂推方向與順橋向形成了一個夾角，進而產(chǎn)生了橫橋向的作用力。

在實際施工過程中，為了加快施工進度而沒有填充混凝土，根據(jù)模型2與模型1理論值對比可知，由于沒有填充混凝土，其順橋向水平位移比填充混凝土后的橋墩位移增大了近1倍，可見在鋼橋墩橋梁施工過程中，填充混凝土可以有效地提高橋墩的抗彎剛度，增強穩(wěn)定性。

根據(jù)豎直路徑上的所有點的順橋向位移分析，位移由墩底向墩頂線性增大，可見填充混凝土的橋墩和不填充混凝土的橋墩目前還是穩(wěn)定的，暫不會發(fā)生穩(wěn)定性破壞。隨著橋墩高度增加，填充混凝土的橋墩順橋向位移相比于未填充混凝土的橋墩順橋向位移的差值越來越大，可見混凝土發(fā)揮的效果越來越大。

4 結(jié)論

通過墩頂位移的實際測量與有限元建模分析，同時討論了不同墩高對填充混凝土的作用效果，得到以下結(jié)論：

(1)實測和理論分析均表明頂推過程中墩頂位移滿足規(guī)范規(guī)定的垂直度要求。

(2)鋼柱內(nèi)部填充混凝土可以有效降低墩頂水平位移，橋墩越高，效果越明顯。

(3)橋墩高度的增加會造成橋墩墩頂位移的加劇，大約呈三次方的趨勢增大。

(4)鋼主梁頂推過程中盡可能做到同步頂推，避免產(chǎn)生過大的橫橋向水平推力。

(5)對于同一項目中橋墩截面形式相同，受力相近，可以采用Matlab擬合部分橋墩的理論計算值，從而預(yù)測其余橋墩的變形，減少工作量。