裝配式T形橋墩靜力性能分析方法

朱 俊，汪志甜

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 裝配式T形橋墩的產(chǎn)生背景

安徽省目前正在進(jìn)行大規(guī)模高速公路改擴(kuò)建系統(tǒng)建設(shè),但由于各方面因素的干擾,施工期間的交通受到了一定影響,主要面臨的問(wèn)題是:如何減少施工周期、減少施工對(duì)既有交通的影響,控制現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量,減少環(huán)境及其他干擾因素對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量的影響及控制造價(jià)等。

我公司在尋求解決上述問(wèn)題的過(guò)程中認(rèn)識(shí)到,橋梁上、下部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化是解決上述問(wèn)題的有效手段。目前,橋梁上部結(jié)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)制裝配化,而安徽省高速公路下部結(jié)構(gòu)工業(yè)化預(yù)制技術(shù)尚處實(shí)踐階段。

針對(duì)上述背景,我公司在G3京臺(tái)高速方興大道至馬堰段改擴(kuò)建工程的中派河特大橋設(shè)計(jì)中首次提出了裝配式T形橋墩技術(shù),并作為科研試驗(yàn)段進(jìn)行設(shè)計(jì)施工,以配合我公司橋梁下部結(jié)構(gòu)工業(yè)化科研工作[1]。

2 設(shè)計(jì)情況簡(jiǎn)介

中派河特大橋是G3京臺(tái)高速方興大道至馬堰段改擴(kuò)建工程的重要橋梁,左幅新建橋梁橋面標(biāo)準(zhǔn)寬20.25 m,橋梁全長(zhǎng)1846 m。擴(kuò)建形式采用左側(cè)分離擴(kuò)建方案。全橋跨徑布置為:26×30 m+(86+140+90)m+25×30 m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用86+140+90 m下承式鋼桁架梁橋,引橋采用30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁,引橋下部采用裝配式T形橋墩的形式。

裝配式T形橋墩具體構(gòu)造采用預(yù)制蓋梁接圓形空心預(yù)制橋墩接現(xiàn)澆承臺(tái)接預(yù)制管樁基礎(chǔ),每片預(yù)制蓋梁承擔(dān)上部?jī)善∠淞?橫向形成獨(dú)立的T型橋墩受力構(gòu)造。采用預(yù)制T型橋墩后,橋梁下部結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),工地標(biāo)準(zhǔn)化安裝。預(yù)制構(gòu)件工廠生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高,同時(shí)能大幅節(jié)省工期,并且施工文明、環(huán)保,契合國(guó)家大力發(fā)展裝配化建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)[2]。

裝配式T形橋墩結(jié)構(gòu)新穎,荷載傳遞路徑簡(jiǎn)潔、明確,為了使工程技術(shù)人員更好的了解此種新型橋墩形式,以下對(duì)裝配式T形橋墩的靜力性能進(jìn)行了分析計(jì)算,計(jì)算以手算為主,重點(diǎn)關(guān)注裝配式T形橋墩的結(jié)構(gòu)受力概念。

圖1 裝配式T形橋墩一般構(gòu)造圖

3 上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞計(jì)算

裝配式T形橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí),首先最重要的是正確計(jì)算上部結(jié)構(gòu)傳遞給下部結(jié)構(gòu)的豎向力和水平力。其中豎向力主要包括恒載和活載,水平力主要包括制動(dòng)力和溫度力,以下詳細(xì)進(jìn)行分析。

3.1 豎向力計(jì)算

3.1.1 恒載計(jì)算

表1 上部恒載傳遞豎向力計(jì)算

3.1.2 活載計(jì)算

(1)活載反力計(jì)算:

對(duì)中墩進(jìn)行雙孔布載,求得中墩墩頂支座處活載反力的最大值:

一個(gè)車(chē)道雙孔布載時(shí):B=0.5×10.5×(30+30)+320=635 kN。

(2)小箱梁活載反力橫向分布計(jì)算:

汽車(chē)荷載橫向偏載時(shí)墩柱取得相應(yīng)的最大反力,按1～5個(gè)車(chē)道分別進(jìn)行加載,按偏心受壓法分別求得邊梁(R1)和次邊梁(R2)的反力橫向分布系數(shù),詳見(jiàn)圖3和表2:

圖2 車(chē)道荷載縱向加載示意圖

圖3 活載橫向加載示意圖

(3)汽車(chē)荷載沖擊系數(shù)計(jì)算:

取30 m小箱梁梁?jiǎn)纹河?jì)算

根據(jù)《橋規(guī)》4.3.2條規(guī)定[5],當(dāng)1.5 Hz

(4)小箱梁最大活載反力計(jì)算:

計(jì)算詳見(jiàn)下表:

表2 小箱梁最大活載豎向力計(jì)算

表中n為車(chē)道數(shù),ζ為車(chē)道折減系數(shù)。從表中可以看出,橫向三列布載時(shí),邊梁和次邊梁取得最大豎向力。

3.2 水平力計(jì)算

上部結(jié)構(gòu)傳遞到橋墩的順橋向水平力按支座和墩柱的組合抗推剛度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)應(yīng)注意如果墩臺(tái)滑板支座摩阻力小于一聯(lián)分配水平力則只承擔(dān)摩阻力,剩余水平力由其余墩臺(tái)按剛度重分配[3]。具體計(jì)算詳見(jiàn)表3:

表3 墩柱水平力分配計(jì)算(一根墩柱)

注:表中聯(lián)端滑板支座摩阻力始終大于一聯(lián)的分配水平力,無(wú)水平力重分配。

3.3 荷載組合

上部結(jié)構(gòu)傳遞給下部結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)豎向力和水平力計(jì)算完成后,就可以按規(guī)范進(jìn)行承載能力和正常使用階段荷載組合,注意組合應(yīng)按橫橋向和縱橋向分別進(jìn)行,具體計(jì)算過(guò)程從略。

4 裝配式T形橋墩各構(gòu)件驗(yàn)算要點(diǎn)

4.1 蓋梁

裝配式T形橋墩的蓋梁為典型的小懸臂獨(dú)柱墩蓋梁,邊梁支座作用點(diǎn)到柱邊緣的距離小于蓋梁高度,應(yīng)按公預(yù)規(guī)8.4.6條要求采用“撐桿-系桿體系”計(jì)算懸臂部分正截面抗彎承載力[6]。具體計(jì)算圖示見(jiàn)圖4。

圖4 短懸臂蓋梁“撐桿-系桿體系”計(jì)算圖示

4.2 墩柱

裝配式T形橋墩的墩柱為鋼筋混凝土圓環(huán)形截面構(gòu)件,根據(jù)規(guī)范應(yīng)進(jìn)行軸心受壓承載力驗(yàn)算、偏心受壓承載力驗(yàn)算、斜截面抗剪承載力驗(yàn)算、正常使用階段裂縫寬度驗(yàn)算共4項(xiàng)驗(yàn)算內(nèi)容,具體驗(yàn)算時(shí)應(yīng)按橫橋向和縱橋向分別進(jìn)行。

4.3 承臺(tái)

裝配式T形橋墩的承臺(tái)為四樁承臺(tái),外排樁中心與墩柱邊緣的距離小于承臺(tái)高度,應(yīng)按規(guī)范采用“撐桿-系桿體系”計(jì)算撐桿的抗壓承載力和系桿的抗拉承載力,以及斜截面抗剪承載力和充切承載力[4]。

4.4 管樁基礎(chǔ)

管樁基礎(chǔ)首先應(yīng)采用公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中的“m”法計(jì)算樁基內(nèi)力和應(yīng)力,再以國(guó)標(biāo)圖集10G409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》對(duì)管樁進(jìn)行選型或校核,所選擇的管樁各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)圖集要求。

5 結(jié) 論

裝配式T形橋墩是一項(xiàng)適應(yīng)于橋梁工業(yè)化建造的獨(dú)特技術(shù)創(chuàng)新,具體構(gòu)造采用預(yù)制蓋梁接圓形空心預(yù)制橋墩接現(xiàn)澆承臺(tái)接預(yù)制管樁基礎(chǔ),每片預(yù)制蓋梁承擔(dān)上部?jī)善∠淞?橫向形成獨(dú)立的T型橋墩受力構(gòu)造。

裝配式T形橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí),首先最重要的是正確計(jì)算上部結(jié)構(gòu)傳遞給下部結(jié)構(gòu)的豎向力和水平力。其中豎向力主要包括恒載和活載,水平力主要包括制動(dòng)力和溫度力?；钶d豎向力傳遞采用偏心受壓法對(duì)車(chē)道活載反力進(jìn)行橫向分配,以求得邊梁和次邊梁在最不利偏載工況下傳遞給下部結(jié)構(gòu)蓋梁的反力。上部結(jié)構(gòu)傳遞到橋墩的順橋向水平力按支座和墩柱的組合抗推剛度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)應(yīng)注意如果墩臺(tái)滑板支座摩阻力小于一聯(lián)分配水平力則只承擔(dān)摩阻力,剩余水平力由其余墩臺(tái)按剛度重分配。

裝配式T形橋墩的蓋梁和承臺(tái)是典型的“撐桿-系桿受力體系”構(gòu)件,應(yīng)分別計(jì)算計(jì)算撐桿的抗壓承載力和系桿的抗拉承載力。裝配式T形橋墩的墩柱和管樁基礎(chǔ)均為圓環(huán)形截面構(gòu)件,應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范驗(yàn)算各項(xiàng)內(nèi)力和應(yīng)力,具體驗(yàn)算時(shí)應(yīng)按橫橋向和縱橋向分別進(jìn)行。

本文簡(jiǎn)要分析了裝配式T形橋墩的靜力性能,下一步將進(jìn)一步分析裝配式T形橋墩的動(dòng)力性能,進(jìn)一步完善設(shè)計(jì),為裝配式T形橋墩的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。