矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李建強(qiáng)

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司上海200092）

0 引言

常見(jiàn)工程中，常將剛構(gòu)橋橋墩做成柔性高墩，減小順橋向的抗推剛度，以改善混凝土結(jié)構(gòu)收縮、徐變、溫度力、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力等作用下的受力性能［1-3］。但是，實(shí)際上往往因?yàn)橥饨鐥l件的影響，做成矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋［4-7］，比如近海環(huán)境下景觀需求、相交道路凈空要求以及線位走向等。矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋由于橋墩較矮，抗推剛度大，柔性小，墩底和墩頂將會(huì)承受較大的內(nèi)力。這種結(jié)構(gòu)在溫度力、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力等作用下的內(nèi)力，是影響該類橋梁設(shè)計(jì)的重要節(jié)點(diǎn)。因此，本文通過(guò)對(duì)珠海市橫琴區(qū)某跨海矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，提出該類橋梁設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，為今后類似橋梁設(shè)計(jì)提供一些參考和借鑒。

1 工程概況

某工程位于珠海市橫琴島西南側(cè)的峽灣內(nèi)，處于風(fēng)景旅游區(qū)，景觀要求較高，且處于外海環(huán)境。其海上段橋梁全長(zhǎng)2.2 km，是世界上最長(zhǎng)、橋面標(biāo)高最低的跨海大橋之一。

考慮周圍地塊景觀等需求，橋面標(biāo)高定為5.5 m，平均墩高約為5.0 m。采用低橋位設(shè)計(jì)方案。鑒于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，波浪力影響，采用矮墩連續(xù)剛構(gòu)方案，其橋型布置如圖1 所示。單幅橋?qū)?3.75 m。上下部結(jié)構(gòu)采用固結(jié)體系，上部結(jié)構(gòu)采用鍋底型箱型斷面，下部采用樁接柱，橋墩邊墩采用φ90，中墩采用φ120，樁基采用鉆孔灌注樁，其橋梁橫斷面如圖2所示。

圖1 矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋型布置Fig.1Bridge Layout about Short-pier Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge （cm）

2 空間有限元模型及工況分析

本工程中矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋采用Midas Civil 2019 軟件分析，采用梁?jiǎn)卧獙?duì)主梁、橋墩、樁基進(jìn)行模擬，建立空間模型進(jìn)行分析。具體對(duì)以下情況進(jìn)行分析：

⑴ 分析樁土效應(yīng)對(duì)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的影響；

⑵ 分析樁基淤泥層厚度對(duì)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的影響；

⑶ 分析混凝土收縮、徐變、溫度力，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力、不均勻沉降等作用對(duì)橋墩內(nèi)力的影響。其有限元模型如圖3所示。

圖2 矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橫斷面布置Fig.2 Cross-section Layout for Short-pier Prestressed Rigid Frame Bridge （cm）

圖3 矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋空間有限元模型Fig.3 Spatial Finite Element Model for Short-pier Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge

3 樁土效應(yīng)的有限元分析

因矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋墩較矮，溫度效應(yīng)、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力影響較大，有限元模擬時(shí)不能簡(jiǎn)單地將橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)，對(duì)于矮墩計(jì)算需要考慮樁土共同作用，本文僅將樁周土的作用看成線彈性土彈簧，采用規(guī)范中的“m法”解決樁基的模擬［8］。分析橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)、考慮樁土效應(yīng)2種工況下、頻遇組合［9］作用下墩頂彎矩、墩頂位移和裂縫情況，其結(jié)果如表1所示。

從表1 可看出，墩底固結(jié)與考慮樁土效應(yīng)情況下墩頂內(nèi)力、水平位移、裂縫相差較大。因此矮墩建模時(shí)應(yīng)考慮樁土效應(yīng)，精確計(jì)算才能設(shè)計(jì)出合理的方案，避免造成浪費(fèi)。

4 樁基淤泥厚度對(duì)矮墩計(jì)算結(jié)果影響分析

本工程位于珠海橫琴島外海峽灣內(nèi)，施工場(chǎng)地均為海灘地貌，淤泥層較厚，且海上段橋梁全長(zhǎng)為2.2 km矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)。因地質(zhì)變化引起的約束條件的改變對(duì)橋墩內(nèi)力影響極為敏感，分析不同厚度淤泥層對(duì)矮墩剛構(gòu)內(nèi)力的影響很有必要。

從表2中數(shù)據(jù)分析可知，在樁頂標(biāo)高-1.0 m處，隨著淤泥層厚度增大，對(duì)橋墩內(nèi)力和墩頂裂縫呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)增大到5倍樁基直徑厚度淤泥層時(shí)，其內(nèi)力和裂縫保持不變。因此設(shè)計(jì)中只需計(jì)算橋位沿線地勘鉆孔淤泥最淺處橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況即可。

表1 3種工況下結(jié)構(gòu)模型橋墩內(nèi)力結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of Internal Force Results with Basic Simulation Models under Three Conditions

表2 不同淤泥層厚度下橋墩內(nèi)力結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of Internal Force Results under Different Silt Layer Thickness

5 矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂內(nèi)力影響因素分析

考慮樁土效應(yīng)［10］，分析混凝土收縮、徐變、溫度力、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力、不均勻沉降等作用對(duì)橋墩內(nèi)力的影響，其各項(xiàng)所占比例如表3所示。

表3 橋墩內(nèi)力影響因素占比Tab.3 Proportion of Factors Affecting Bridge Pier Internal Force

從表3 分析數(shù)據(jù)得出：①對(duì)于4×20 m 連續(xù)矮墩剛構(gòu)橋，對(duì)邊墩和次邊墩，混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力、溫度效應(yīng)、混凝土收縮、不均勻沉降影響是基本一致的，且按照羅列順序從大到小排列；②按照影響因素所占比分析，混凝土徐變對(duì)橋墩墩頂內(nèi)力影響最大，上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生次內(nèi)力次之。因此對(duì)于矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)，首先，上部結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧下部結(jié)構(gòu)受力情況；其次，混凝土選擇上需要綜合考慮水泥品種、細(xì)度、水灰比、骨料和外加劑等因素。

6 矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

⑴ 為了改善矮墩的不利狀況，在施工條件允許的情況下，適當(dāng)降低樁頂標(biāo)高，以有效減小墩柱剛度。

⑵ 4 跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)，盡量增大邊跨的柔度，釋放混凝土徐變、溫度力、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力對(duì)橋墩產(chǎn)生的作用。

⑶ 混凝土的收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，應(yīng)在設(shè)計(jì)、施工階段選擇適宜的混凝土材料。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋建模分析，得出以下相關(guān)結(jié)論：

⑴ 對(duì)于矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，下部結(jié)構(gòu)橋墩受力極為不利。在考慮施工條件下，合理增大橋墩受力不利處的配筋率，或?qū)蚨帐┘迂Q向預(yù)應(yīng)力，能夠有效地保證橋墩不開(kāi)裂，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

⑵ 為了使矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)，通過(guò)對(duì)比分析，結(jié)果證明建立包含樁-土效應(yīng)在內(nèi)的整體計(jì)算模型，合理考慮樁基柔度的有利作用很有必要。

⑶ 不同的地質(zhì)情況對(duì)矮墩剛構(gòu)內(nèi)力影響較大，本工程中隨著淤泥層的加厚，對(duì)結(jié)構(gòu)是有利的，但達(dá)到5倍樁徑淤泥層后，對(duì)墩柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。