墩高、聯(lián)長對剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響

黃致靖

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

預(yù)應(yīng)力連續(xù)T 梁是公路橋梁廣泛采用的橋梁結(jié)構(gòu)形式，對于高墩橋梁，一般會將墩梁固結(jié)，不僅可以節(jié)省橋梁支座，方便后期養(yǎng)護，而且可以改善橋梁的受力，提高橋梁整體穩(wěn)定性和抗震性能[1-4]。由于墩梁固結(jié)，導(dǎo)致剛構(gòu)T 梁橋的整體受力狀態(tài)與連續(xù)T 梁橋不同， 特別是在墩高較矮的情況下，在混凝土收縮徐變和溫度荷載作用下，會產(chǎn)生很大的次內(nèi)力。基于此，本文探討了墩高和聯(lián)長對剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響， 并分析了各荷載工況對橋墩彎矩的影響， 通過計算分析為剛構(gòu)T 梁橋的應(yīng)用提供理論依據(jù)，同時可為剛構(gòu)T 梁橋的設(shè)計提供參考。

1 墩高對剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響

對于剛構(gòu)T 梁橋， 橋墩高度是影響其受力性能的重要因素之一，墩高太矮，橋梁抗推剛度大，溫度變化及收縮徐變作用的次內(nèi)力太大， 此時墩梁固結(jié)會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很不利的影響，因此需要控制剛構(gòu)T 梁橋的墩高，保證橋梁處于比較好的受力狀態(tài)，提高橋梁的耐久性。在高速公路橋梁設(shè)計中，跨徑小于30 m 的T 梁一般適用于橋墩較矮的情況， 橋梁上部結(jié)構(gòu)一般采用簡支或者連續(xù)結(jié)構(gòu)。對于30 m 和40 m 標準跨徑T 梁，一般適用于墩高較高的情況，但是由于其跨徑較大，可以減少下部橋墩的數(shù)量，因此在跨海、跨河和穿越城鎮(zhèn)時，也適用于墩高較矮的情況，橋梁結(jié)構(gòu)一般采用連續(xù)或剛構(gòu)體系。

1.1 有限元模型的建立

為了研究墩高對剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響， 選取單幅橋?qū)?3 m 的雙向4 車道高速公路T 梁橋，下部橋墩采用雙柱墩。墩高范圍在10～50 m，間隔5 m，分別建立不同墩高的有限元模型?？紤]到實際橋梁設(shè)計中，同一跨徑橋梁不同墩高采用的橋墩截面尺寸也不同， 為了與實際橋梁設(shè)計相符，確定采用剛構(gòu)體系較優(yōu)的墩高范圍，假定同一跨徑下橋墩的線剛度保持不變。 對于30 m 跨徑橋梁，取墩高40 m，直徑2 m 的線剛度為基準；對于40 m跨徑橋梁，取墩高30 m，直徑2 m 的線剛度為基準，可以得到不同墩高下的橋墩直徑如表1 所示。

表1 不同墩高下橋梁的橋墩直徑

考慮到橋梁聯(lián)長也是影響剛構(gòu)體系的重要影響因素之一，因此采用常規(guī)的5×30 m 和4×40 m 一聯(lián)，利用橋梁博士4.0，建立有限元模型，橋梁荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60-2015 進行加載， 其中溫度荷載按整體升溫25°，整體降溫20°設(shè)置。

1.2 墩高對30 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響

通過建立的30 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋有限元模型，提取不同墩高時上部T 梁彎矩和橋墩頂?shù)讖澗兀?得到橋墩高度對30 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響，如圖1～2 所示。

圖1 30 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋墩高對T 梁彎矩的影響

圖2 30 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋墩高對橋墩彎矩的影響

從圖1～2 中可以看出， 上部T 梁彎矩隨著橋梁高度的增大先減小，后緩慢增大，當墩高為25～30 m 時，T 梁正負彎矩都達到最小值， 同時橋墩彎矩隨著橋梁高度的增大而減小。 當橋墩高度從10 m 增大到30 m 時，上部T梁的負彎矩減少9.5%，正彎矩減少2.3%，下部橋墩墩頂彎矩減小43.6%，橋墩墩底彎矩減小54.5%，因此，橋墩高度的變化對T 梁正彎矩影響不大， 對T 梁負彎矩影響較大，對橋墩受力性能的影響非常大。

1.3 墩高對40 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響

通過建立的40 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋有限元模型，提取不同墩高時上部T 梁彎矩和橋墩頂?shù)讖澗氐臄?shù)據(jù)， 得到橋墩高度對40 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響，如圖3～4 所示。

從圖3～4 中可以看出，橋墩高度對40 m 跨徑剛構(gòu)T梁橋受力性能的影響與30 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋類似，上部T 梁彎矩隨著橋梁高度的增大先減小，后緩慢增大，當墩高為25～30 m 時，T 梁正負彎矩都達到最小值，同時橋墩彎矩隨著橋梁高度的增大而減小。當橋墩高度從10 m 增大到30 m 時，上部T 梁的負彎矩減少7.0%，正彎矩減少1.8%，下部橋墩墩頂彎矩減小39.7%，橋墩墩底彎矩減小52.0%，因此，橋墩高度的變化對T 梁正彎矩影響不大，對T 梁負彎矩影響較大，對橋墩受力性能的影響非常大。

圖3 40 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋墩高對T 梁彎矩的影響

圖4 40 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋墩高對橋墩彎矩的影響

通過分析墩高對30 m 跨徑和40 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響，剛構(gòu)T 梁橋橋墩高度不宜太矮。墩高太矮，T 梁的負彎矩會比較大， 橋墩頂?shù)讖澗匾矔眲≡黾樱貏e是對橋墩墩頂?shù)氖芰Ξa(chǎn)生非常大的影響，對橋墩的受力極為不利。通過以上分析，建議剛構(gòu)T 梁橋的墩高不宜小于25～30 m， 考慮到模型在墩底直接固結(jié)與實際情況有些誤差， 建議墩高在25 m 以下不宜采用剛構(gòu)體系， 對于地表土為淤泥或者軟土的情況， 墩高可適當減低。通過限制剛構(gòu)體系橋梁的最小墩高，可以避免橋墩受力過大，造成橋墩設(shè)計尺寸偏大，材料浪費。 通過圖2、4可以看出， 隨著墩高的增大， 橋墩頂?shù)椎膹澗夭钪狄苍酱?，但墩頂彎矩始終大于墩底彎矩，在設(shè)計中，可以偏安全按墩頂內(nèi)力進行橋墩設(shè)計。

1.4 不同工況對剛構(gòu)T 梁橋橋墩受力性能的影響

對于連續(xù)T 梁橋，橋墩受力主要以軸力為主，屬于小偏心受壓構(gòu)件。但是對于剛構(gòu)T 梁橋的橋墩，特別是剛構(gòu)邊墩， 橋墩所受的彎矩往往成為了橋墩設(shè)計的控制內(nèi)力，為了研究剛構(gòu)T 梁橋橋墩彎矩產(chǎn)生的主要因素，選取跨徑30 m，墩高25 m 的剛構(gòu)T 梁模型，提取邊墩數(shù)據(jù)，得到不同荷載工況下對橋墩墩頂彎矩的影響，如表2～3 所示。

表2 不同荷載工況對橋墩墩頂負彎矩的影響

表3 不同荷載工況對橋墩墩頂正彎矩的影響

由表2～3 可知， 連續(xù)剛構(gòu)T 梁橋橋墩彎矩對收縮和整體升降溫非常敏感， 其產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)比恒載和車道荷載還要大，因此在設(shè)計過程中，應(yīng)重點考慮混凝土收縮和結(jié)構(gòu)整體升降溫對橋墩受力的影響。對水灰比、骨料和外加劑等影響混凝土收縮的因素應(yīng)該嚴格按照規(guī)范要求執(zhí)行，減小混凝土收縮對橋墩產(chǎn)生的不利影響。整體升降溫產(chǎn)生的效應(yīng)大小與上部結(jié)構(gòu)合龍時的溫度息息相關(guān)，在設(shè)計合龍溫度時，應(yīng)注意橋梁結(jié)構(gòu)的有效溫度標準值，根據(jù)不同有效溫度標準值值，設(shè)計最佳合龍溫度，保證整體升降溫對橋墩產(chǎn)生的不利影響降到最低。

2 聯(lián)長對剛構(gòu)T 梁橋受力性能研究

為了提高橋梁行車舒適性和減少后期伸縮縫的維修更換，在橋梁受力合理范圍內(nèi)應(yīng)盡量增大聯(lián)長，減少伸縮縫的設(shè)置。 橋梁聯(lián)長增大，導(dǎo)致橋梁邊墩與主梁縱向位移零點的距離變大， 在混凝土收縮徐變和整體升降溫等荷載的作用下，邊墩將產(chǎn)生較大的縱向位移，導(dǎo)致邊墩彎矩增大。 通過建立的墩高25 m，跨徑30 m 剛構(gòu)T 梁有限模型， 提取不同聯(lián)長時上部T 梁彎矩和橋墩墩頂彎矩，得到聯(lián)長對剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響，如圖5～6 所示。

圖5 聯(lián)長對T 梁彎矩的影響

圖6 聯(lián)長對橋墩墩頂最大彎矩的影響

由圖5 可知， 聯(lián)長的變化對T 梁的最大負彎矩和最大正彎矩的影響不大， 基本可以忽略聯(lián)長對上部T梁受力的影響。 由圖6 可知，橋墩墩頂?shù)淖畲髲澗仉S著聯(lián)長的增大而增大，基本呈線性關(guān)系。 以5×30 m 為標準聯(lián)長， 當聯(lián)長為3×30 m、4×30 m、6×30 m 和7×30 m時， 墩頂最大彎矩分別增加-26.1%、-17.8%、16.0%和34.3%， 由此可見聯(lián)長對橋墩最大彎矩的影響非常大，在確定聯(lián)長過程中，應(yīng)避免聯(lián)長過大，導(dǎo)致橋墩彎矩太大。 當橋梁聯(lián)長較長時， 可以考慮邊墩采用連續(xù)墩結(jié)構(gòu)，避免墩頂縱向位移過大，導(dǎo)致墩身承載力和抗裂能力不滿足要求。

剛構(gòu)T 梁橋是一種多次超靜定結(jié)構(gòu)體系， 隨著一聯(lián)孔數(shù)的增加，超靜定次數(shù)也越多，混凝土收縮和結(jié)構(gòu)整體升降溫產(chǎn)生的效應(yīng)也愈加明顯。 不同聯(lián)長下各荷載工況產(chǎn)生的的墩頂彎矩如圖7 所示。

從圖7 可以看出， 各荷載工況產(chǎn)生的橋墩墩頂彎矩與聯(lián)長也基本呈線性關(guān)系， 其中混凝土收縮和整體升降溫產(chǎn)生的橋墩彎矩對聯(lián)長較為敏感。

圖7 不同聯(lián)長下各荷載工況產(chǎn)生的橋墩墩頂彎矩

3 結(jié)語

本文主要分析墩高和聯(lián)長對剛構(gòu)T 梁橋受力性能的影響， 同時分析了不同荷載工況對剛構(gòu)邊墩最大彎矩的影響，得到以下結(jié)論：

(1)對于30 m 跨徑和40 m 跨徑剛構(gòu)T 梁橋，橋墩高度對上部主梁受力影響較小，對橋墩彎矩影響非常大，為優(yōu)化剛構(gòu)T 梁橋的整體受力，墩高不宜太小，建議墩高大于25 m 以上采用剛構(gòu)體系。

(2)混凝土收縮和橋梁結(jié)構(gòu)整體升降溫對剛構(gòu)T 梁橋橋墩彎矩影響非常大，設(shè)計和施工應(yīng)予以重視。

(3)聯(lián)長對上部結(jié)構(gòu)T 梁受力的影響可以忽略，對橋墩彎矩的影響較大，基本呈線性關(guān)系，且收縮徐變和整體升降溫產(chǎn)生的橋墩彎矩也與聯(lián)長呈線性關(guān)系， 設(shè)計中應(yīng)控制好聯(lián)長，避免橋梁剛構(gòu)邊墩彎矩過大。