高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)PC 梁橋風(fēng)荷載靜力作用分析

周 武

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

0 前言

隨著公路交通事業(yè)的發(fā)展， 公路網(wǎng)絡(luò)覆蓋面越來(lái)越廣。高等級(jí)公路在山區(qū)越來(lái)越多的出現(xiàn)。山區(qū)高山峽谷較多， 為克服地表高差及高等級(jí)公路對(duì)線型和行車舒適性要求，高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋因其跨越能力大，整體性能強(qiáng)、受力合理、施工方便、造價(jià)較斜拉橋、懸索橋少、養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地被采用[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已建成多座高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，其橋墩高度可達(dá)150m 以上，跨徑可達(dá)200 多m。部分高墩橋梁統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示，墩高在110m 以下的橋墩一般采用雙肢薄壁空心墩，墩高在110m 以上的橋墩一般采用單肢/雙肢變截面薄壁空心墩。

表1 國(guó)內(nèi)已建成具有代表性的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)PC 梁橋

隨著橋墩高度增高， 橋墩上部及橋面的風(fēng)速明顯增大， 作用在高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋上的風(fēng)荷載效應(yīng)也會(huì)大很多，這類橋?qū)︼L(fēng)荷載效應(yīng)更加敏感。 因此，對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在施工階段和成橋運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行風(fēng)荷載作用效應(yīng)分析尤為重要。

本文以某高速上的一座高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)PC 梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用MIDAS/Civil 建立全橋桿系模型，對(duì)下部結(jié)構(gòu)在施工階段和成橋運(yùn)營(yíng)階段， 分別進(jìn)行風(fēng)荷載靜力作用分析，研究結(jié)論可為類似工程提供參考。

1 工程概述

本橋是某高速上的一座特大型橋梁， 橋梁全長(zhǎng)1620.5m，跨徑組合為3×40+(60+110+60)+2×40+(88+160+88)+4×40+11×30+4×40+5×40 m， 其中(60+110+60)m 和(88+160+88)m 采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，30、40m 采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁。 本文選取(88+160+88)m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象。 上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單箱單室截面，跨中梁高3.5m，支點(diǎn)梁高9.5m，中間梁高為1.8 次拋物線規(guī)律變化。 箱梁頂寬13.0m， 箱梁底寬6.75m， 左右懸臂長(zhǎng)各3.125m，箱梁跨中頂板厚28cm，截面腹板寬50cm，根部截面箱梁腹板寬95cm， 在第5、11、17 號(hào)節(jié)段線性過(guò)渡。中支點(diǎn)根部底板厚度120cm，跨中底板厚度32cm，中間底板厚度按1.8 次拋物線規(guī)律變化。

考慮橋墩滑模施工方便， 主墩及過(guò)渡墩均采用等截面型式。 主墩最大墩高89.2m，采用雙肢等截面空心薄壁墩，沿高度每隔30m 設(shè)置一道實(shí)心“H”型系梁，截面厚度為1m。墩厚縱橋向?qū)?.2m，橫橋向?qū)?.75m，壁厚0.95m。左右幅采用整體式橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用6 根Φ2.5m 鉆孔灌注樁。 過(guò)渡墩采用等截面空心薄壁墩，空心墩厚3.5m，壁厚0.6m，基礎(chǔ)采用4 根Φ2.2m 的鉆孔灌注樁。

2 有限元模型

采用橋梁計(jì)算專業(yè)軟件MIDAS/Civil 建立空間桿系有限元計(jì)算模型，如圖3 所示。主梁及橋墩均用梁?jiǎn)卧M，主梁共140 個(gè)單元，141 個(gè)節(jié)點(diǎn)；橋墩共128 個(gè)單元，130 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 墩梁采用剛性連接，墩底固結(jié)。 按照設(shè)計(jì)要求，主梁采用C55 混凝土，橋墩采用C40 混凝土，承臺(tái)及樁基礎(chǔ)采用C30 混凝土。 設(shè)計(jì)荷載為公路-I 級(jí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)度低松馳17 絲捻制預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑15.2mm，公稱面積139mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，1000h 后應(yīng)力松馳率不大于2.5%， 預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管成形， 管道摩擦系數(shù)u=0.17；管道偏差系數(shù)K=0.0015m；錨具變形和鋼束單端回縮量6mm。 其余設(shè)計(jì)參數(shù)均按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[2]和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]取值。

模型施工階段按實(shí)際施工順序劃分51 個(gè)施工階段。其中階段1 為下部結(jié)構(gòu)施工； 階段2 為托架現(xiàn)澆0 號(hào)塊施工；階段3～44 為1～21 號(hào)塊懸臂掛籃施工，每個(gè)懸臂澆筑梁塊采用先在掛籃中澆筑混凝土， 待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后張拉當(dāng)前單元預(yù)應(yīng)力鋼束，然后將掛籃前移，再澆筑下一階段混凝土。 階段45～47 為邊跨合攏施工， 階段48～49 為主跨合龍施工。 階段50 為成橋后二期鋪裝施工，階段51 為成橋后運(yùn)營(yíng)3650 天。

3 風(fēng)荷載效應(yīng)分析

(1)風(fēng)荷載取值

圖1 主橋橋型布置圖 單位：cm

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]關(guān)于橋梁抗風(fēng)計(jì)算按W1 風(fēng)作用水平和W2 風(fēng)作用水平確定。W1 風(fēng)作用水平取值：①重現(xiàn)期10 年(即10 年超越概率65.1%)的設(shè)計(jì)風(fēng)速； ②當(dāng)按①確定的主梁上的風(fēng)速值大于25 m/s 時(shí)，取25 m/s，風(fēng)荷載可與汽車荷載及相關(guān)作用組合。 W2 風(fēng)作用水平取值： ①重現(xiàn)期100 年 (即100 年超越概率63.2%)的設(shè)計(jì)風(fēng)速，汽車荷載不參與荷載組合。 風(fēng)荷載與其他作用組合時(shí)的分項(xiàng)系數(shù)、組合值系數(shù)按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3.2 條規(guī)定取值。

圖2 主墩一般構(gòu)造圖 單位：cm

圖3 主橋MIDAS/Civil 計(jì)算模型

(2)不同墩高風(fēng)荷載效應(yīng)分析

表2 列出了W2 風(fēng)作用下不同墩高對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載效應(yīng)值。隨著橋墩高度增加，橋梁基準(zhǔn)高度Z 處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速不斷增大， 主梁及橋墩處的等效靜陣風(fēng)荷載也不斷增大，墩底彎矩呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。 另一方面，隨著橋墩高度增加，橋墩剛度卻越柔，P-△效應(yīng)越來(lái)越明顯。

表3 和表4 列出了不同墩高下W1 風(fēng)荷載效應(yīng)占組合效應(yīng)的比例情況。 墩底橫向彎矩主要由汽車偏載和風(fēng)荷載作用產(chǎn)生， 風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的橫向彎矩占組合效應(yīng)90%以上。 墩底縱向彎矩主要由升降溫、汽車荷載、制動(dòng)力、風(fēng)荷載作用產(chǎn)生，風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的縱向彎矩占組合效應(yīng)50%以上。 隨著墩高增加，風(fēng)荷載作用效應(yīng)越明顯，進(jìn)行高墩受力分析時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)荷載作用效應(yīng)。

表2 不同墩高下W2 風(fēng)荷載效應(yīng)值匯總表

表3 不同墩高下W1 風(fēng)荷載效應(yīng)(橫向彎矩)占組合效應(yīng)比例匯總表

4 主墩截面承載力驗(yàn)算

(1)懸臂施工階段風(fēng)荷載靜力作用分析

按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.6 條規(guī)定，對(duì)于懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋， 宜對(duì)其最大雙懸臂狀態(tài)和最大單懸臂狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的橫橋向與順橋向的風(fēng)荷載效應(yīng)分析。

雙懸臂施工的橋梁受橫橋向風(fēng)荷載作用時(shí)， 應(yīng)考慮主梁上對(duì)稱加載工況與不對(duì)稱加載工況， 不對(duì)稱工況加載時(shí)主梁風(fēng)荷載一端宜取另一端的0.5 倍。 縱橋向風(fēng)荷載加載考慮單側(cè)橋墩縱向風(fēng)荷載及豎向風(fēng)力作用。 懸臂施工中常出現(xiàn)不平衡荷載， 在橋墩縱向分析時(shí)考慮以下兩種不平衡荷載： ①不均勻梁重， 按一側(cè)懸臂梁重提高3%取值；②懸臂澆筑不同步施工，按懸澆梁段相差一個(gè)梁段設(shè)置。

懸臂施工階段， 主梁高度處百年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速為29.0 m/s，超過(guò)按W1 風(fēng)作用水平確定的25.0 m/s，懸臂施工最不利風(fēng)荷載作用效應(yīng)按W2 作用水平計(jì)算。 表5 列出懸臂施工階段主墩穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果， 表6 列出懸臂施工階段主墩承載力驗(yàn)算結(jié)果。 可以看出，懸臂施工階段，最不利荷載工況下， 主墩穩(wěn)定及截面承載承載力驗(yàn)算均滿足要求。

表5 懸臂施工階段主墩墩底穩(wěn)定驗(yàn)算表

表6 懸臂施工階段主墩墩底截面承載力驗(yàn)算表

(2)成橋運(yùn)營(yíng)階段風(fēng)荷載靜力作用分析

成橋運(yùn)營(yíng)階段，W1 風(fēng)作用水平的設(shè)計(jì)風(fēng)速為25m/s，風(fēng)荷載可與汽車荷載及相關(guān)作用組合。 W2 風(fēng)作用水平設(shè)計(jì)風(fēng)速為29.14m/s，汽車荷載不參與荷載組合。

表7 列出成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W1 水平風(fēng)作用下主墩穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果， 表8 列出成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W1 水平風(fēng)作用下主墩承載力驗(yàn)算結(jié)果。 可以看出，成橋運(yùn)營(yíng)階段，考慮W1 水平風(fēng)作用，在最不利荷載工況下，主墩穩(wěn)定及截面承載承載力驗(yàn)算均滿足要求。

表9 列出成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W2 水平風(fēng)作用下主墩穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果，表10 列出成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W2 水平風(fēng)作用下主墩承載力驗(yàn)算結(jié)果。 可以看出，成橋運(yùn)營(yíng)階段，考慮W2 水平風(fēng)作用，在最不利荷載工況下，主墩穩(wěn)定及截面承載承載力驗(yàn)算均滿足要求。

表7 成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W1 風(fēng)作用下主墩穩(wěn)定驗(yàn)算表

表8 成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W1 風(fēng)作用下主墩墩底截面承載力驗(yàn)算表

表9 成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W2 風(fēng)作用下主墩穩(wěn)定驗(yàn)算表

表10 成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮W2 風(fēng)作用下主墩墩底截面承載力驗(yàn)算表

5 結(jié)論

(1)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)PC 梁橋受風(fēng)荷載作用效應(yīng)明顯， 設(shè)計(jì)中應(yīng)按施工階段和成橋運(yùn)營(yíng)階段考慮風(fēng)荷載作用。

(2)懸臂施工階段，同時(shí)考慮風(fēng)荷載W2 水平作用和不平衡荷載作用下， 主墩穩(wěn)定及截面承載力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

(3) 成橋運(yùn)營(yíng)階段， 分別考慮風(fēng)荷載W1 水平作用、W2 水平作用與其他荷載作用效應(yīng)組合， 主墩穩(wěn)定及截面承載力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。