矮墩剛構(gòu)體系斜拉橋小間距雙肢墩概念設(shè)計＊

彭文毅

矮墩剛構(gòu)體系斜拉橋小間距雙肢墩概念設(shè)計＊

彭文毅

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

為了解決矮墩剛構(gòu)體系斜拉橋的單肢整體墩延性較差，而雙肢薄壁墩占地較多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的問題，在雙肢薄壁墩的基礎(chǔ)上，提出一種小間距雙肢墩。為了探討這種新型橋墩的力學(xué)性能，運(yùn)用ABAQUS軟件對兩種類型橋墩的數(shù)值進(jìn)行模擬運(yùn)算，提高了結(jié)構(gòu)的延性性能與承載能力。

橋梁工程；小間距雙肢墩；延性性能；抗推承載力

剛構(gòu)體系斜拉橋采用塔梁墩相互固結(jié)，主梁成為在跨內(nèi)有多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)。該體系具有結(jié)構(gòu)剛度大、主梁和塔柱的撓度均較小、不需大噸位的支座、適合懸臂施工等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于塔梁墩固結(jié)，體系的超靜定次數(shù)高，減小墩梁中的溫度附加內(nèi)力是該體系的關(guān)鍵問題[1]。通常，在獨(dú)塔雙跨式剛構(gòu)體系斜拉橋中，通過邊墩設(shè)置活動支座可以使主梁縱向自由伸縮。在雙塔或多塔剛構(gòu)體系斜拉橋中，則在跨中設(shè)置可縱向伸縮的鉸縫或掛孔，盡量降低橋墩的縱向抗推剛度，避免主梁因溫度、混凝土收縮徐變等[2-3]引起的主梁縱向變形，從而減少這種變形所引起的附加內(nèi)力。在跨中設(shè)鉸或掛孔造成主梁不連續(xù)而使行車不順，還增加了橋梁運(yùn)營的維護(hù)工作量。國內(nèi)外在雙塔或多塔長聯(lián)主梁的剛構(gòu)體系斜拉橋中，主要采用單肢薄壁墩和雙肢薄壁墩這兩種橋墩形式來降低橋墩的縱向抗推剛度。單肢薄壁墩一般僅適應(yīng)高墩情況，雙肢薄壁墩則適應(yīng)矮墩或高墩情況。

本文以國內(nèi)一座矮墩剛構(gòu)體系多塔斜拉橋——常德沅水四橋?yàn)檠芯勘尘?，針對矮墩受力特點(diǎn)，在雙肢薄壁墩的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出一種新型小間距雙肢墩。其既具備雙肢薄壁墩較小的抗推剛度與單肢墩占地小、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省造價的優(yōu)點(diǎn)，又能滿足與其他整體墩在外形上保持一致而不影響橋墩的整體美觀的功能需要。為了探討小間距雙肢墩的力學(xué)性能，運(yùn)用ABAQUS軟件設(shè)計模擬了1個整體墩和1個小間距雙肢墩的模型進(jìn)行對比分析。在相同恒定豎向力的作用下，對橋墩進(jìn)行加載試驗(yàn)。探討了整體墩與小間距雙肢墩的延性和承載力的性能特點(diǎn)。

1 工程背景與小間距雙肢墩的概念

湖南常德沅水四橋的主橋是一座五塔矮塔矮墩斜拉橋。橋跨布置為（98.5+4×175+98.5）m，全長897 m。該橋第17、18、19號三個中主墩采用塔梁墩固結(jié)而成為剛構(gòu)體系，16、20號兩個邊主墩墩頂設(shè)活動支座，塔梁固結(jié)。

為了降低常德沅水四橋三個中主墩的抗推剛度，從墩頂至墩底設(shè)置一道縫，縫內(nèi)填充彈性材料而形成小間距雙肢墩，其外形上與兩個邊主墩保持一致。縮短了雙肢墩的間距，既可減小橋墩承臺尺寸，還可降低橋墩遭受車、船撞擊的可能，也避開了雙肢墩的外形設(shè)計。同時，在雙肢間直接填入彈性材料，既簡化了小間距雙肢墩的施工工藝，還提高了橋墩的整體性。

2 數(shù)值分析

2個橋墩的構(gòu)造與配筋布置如圖1所示，K-01為整體墩，截面尺寸為540 mm×360 mm；K-02為2 mm寬的空縫雙肢墩，截面尺寸為540 mm×380 mm，但在橋墩中間沿橫橋向設(shè)置20 mm貫通縫，并填充橡膠。在澆筑時預(yù)留好4個100 mm的錨螺栓孔，試驗(yàn)時通過地錨螺栓錨固于剛性地基。采用ABAQUS建立2個橋墩的有限元模型，將2個模型進(jìn)行單調(diào)加載數(shù)值模擬。首先在墩頂施加450 kN恒定豎向力，然后再由墩頂處按位移控制施加遞增的水平荷載。加載到橋墩的水平抗推承載力下降到峰值荷載的85%時，便可以結(jié)束加載。

3 延性結(jié)果與承載力結(jié)果分析

荷載-位移曲線如圖2所示。在軸壓比、配筋率、體積配箍率相同的情況下，通過圖2可以發(fā)現(xiàn)：在水平加載初期到105 kN時，K-01的荷載-位移曲線呈線性發(fā)展。隨著荷載的增大，結(jié)構(gòu)隨之屈服并進(jìn)入非線性階段，曲線上升速度減緩。當(dāng)荷載加載至150 kN時，結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，隨后墩頂水平抗力緩慢減小至135.95 kN。同樣的K-02也大致經(jīng)過了線性發(fā)展階段，隨后進(jìn)入屈服非線性階段，最后到達(dá)峰值之后的下降階段。其最大承載力為118 kN，為整體墩的78.6%，但其延性系數(shù)為整體墩的126.6%。

圖1 橋墩大樣及配筋布置（尺寸單位：mm）

橋墩損傷形態(tài)如圖3所示，可看出小間距雙肢墩比整體墩裂縫更少，分布區(qū)域更窄，損傷較輕，這得益于小間距雙肢墩良好的延性，具有較好的塑性變形能力和抗倒塌能力。

4 結(jié)論

通過有限元分析得到兩種橋墩的水平抗推極限承載力、延性性能、混凝土破壞形態(tài)，驗(yàn)證了小間距雙肢墩概念設(shè)計的可行性，為該類新型橋墩參數(shù)分析提供了可靠的依據(jù)。整體墩水平抗推承載力雖大，但延性極差。而小間距雙肢墩的水平抗推承載力雖然有所下降，但可以在保證小間距雙肢墩的承載能力要求的情況下，顯著提升其延性性能，使其具有較好的塑性變形能力和抗倒塌能力。

圖2 墩頂荷載-位移曲線圖

圖3 橋墩破壞形態(tài)

［1］姚玲森.橋梁工程［M］.2版.北京：人民交通出版社，2015.

［2］崔海琴，賀拴海，宋一凡，等.塑性鉸區(qū)碳纖維約束空心薄壁墩抗震性能分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（6）：124-128.

［3］趙冠遠(yuǎn)，王艷，安明喆，等.基于強(qiáng)度折減系數(shù)譜的規(guī)則橋梁彈塑性地震反應(yīng)分析方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2011，32（2）：48-55.

U441.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.025

2095－6835（2020）01－0076－02

湖南省交通科技計劃項(xiàng)目（編號：201526）

〔編輯：張思楠〕