大跨度高墩PC部分斜拉橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

羅富元，凌塑奇

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

部分斜拉橋兼有梁橋及斜拉橋的特點(diǎn)，因其具有外形美觀、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工方便、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用[1]。PC部分斜拉橋在跨徑100～300 m具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在方案比選中經(jīng)常能夠脫穎而出[2-5]。對(duì)于墩梁塔固結(jié)體系的部分斜拉橋，主墩承受絕大部分的上構(gòu)荷載，在墩頂區(qū)域，結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，合理的主墩設(shè)計(jì)構(gòu)造，可以安全有效地實(shí)現(xiàn)傳遞上構(gòu)荷載的功能。目前鮮有針對(duì)大跨度PC部分斜拉橋的主墩構(gòu)造設(shè)計(jì)的研究，對(duì)于墩不高的情況，可以采用實(shí)心墩的形式，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算簡(jiǎn)便可靠。但是對(duì)于高墩而言，主墩形式往往有更多選擇，其構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全存在關(guān)鍵影響。因此，有必要對(duì)大跨度高墩PC部分斜拉橋主墩構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行研究。

本文以某大跨徑高墩PC部分斜拉橋作為工程背景，研究不同主墩形式、墩頂構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)墩塔梁固結(jié)這一復(fù)雜受力區(qū)域的受力影響，為以后同類設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 工程概況

培森柳江特大橋主橋(圖1)采用橋跨布置為(145+280+145)m的PC部分斜拉橋，橋?qū)?9 m，跨中梁高4.5 m，根部梁高11.5 m，主塔為柱式塔，塔高50.0 m，全橋共設(shè)92根斜拉索，主墩采用單箱雙室截面，薄壁空心墩，兩岸主墩高度分別為63.4 m和66.6 m，屬國(guó)內(nèi)在建公路橋梁最大跨度的PC部分斜拉橋。

2 計(jì)算模型

利用ANSYS有限元軟件根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸建立墩塔梁固結(jié)處部分主梁、索塔及橋墩結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，其混凝土采用Solid185單元模擬，并劃分六面體單元。結(jié)構(gòu)幾何模型及有限元模型如圖2所示。

邊界條件：對(duì)承臺(tái)底部固結(jié)。

荷載條件：將全橋桿系模型的內(nèi)力結(jié)果，分別施加到相應(yīng)的主梁截面和索塔相應(yīng)截面。并施加模型范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、縱向預(yù)應(yīng)力、梯度溫差。

圖1 培森柳江特大橋剖面圖(cm)

圖2 結(jié)構(gòu)幾何模型圖

3 分析工況

由于墩柱較高，往往采用空心墩的形式。結(jié)合工程實(shí)際情況，根據(jù)主墩形式及墩頂構(gòu)造的不同，對(duì)以下幾種主墩方案進(jìn)行對(duì)比分析(見下頁圖3)：

方案1：?jiǎn)蜗鋯问译p柱平頂框架墩。

方案2：?jiǎn)蜗鋯问译p柱圓頂框架墩。

方案3：?jiǎn)蜗鋯问译p柱斜頂框架墩。

方案4：?jiǎn)蜗潆p室獨(dú)柱墩。

(a)方案1 (b)方案2

(c)方案3 (d)方案4

對(duì)上述各主墩方案，分別輸入以下兩種荷載工況進(jìn)行計(jì)算：

荷載1：墩頂截面最大負(fù)彎矩工況。

荷載2：墩頂最大軸力工況。

基于2種荷載工況和4種主墩方案進(jìn)行組合，共計(jì)分析工況為8個(gè)。

4 分析結(jié)果

4.1 主墩分析結(jié)果

針對(duì)主墩墩頂受力復(fù)雜區(qū)域，分別提取以下5項(xiàng)應(yīng)力：橫向應(yīng)力Sx；縱向應(yīng)力Sy；豎向應(yīng)力Sz；主拉應(yīng)力S1；主壓應(yīng)力S3。如表1、表2所示列出了各荷載工況下不同方案主墩墩頂區(qū)域各項(xiàng)應(yīng)力的最大值，表中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。為避免橋墩局部開裂，重點(diǎn)考察橋墩主拉應(yīng)力，限于篇幅，僅給出荷載1工況下，各方案的主墩墩頂區(qū)域的主拉應(yīng)力云圖，如圖4～7所示。

圖4 方案1主拉應(yīng)力云圖(Pa)

圖5 方案2主拉應(yīng)力云圖(Pa)

圖6 方案3主拉應(yīng)力云圖(Pa)

圖7 方案4主拉應(yīng)力云圖(Pa)

表1 荷載1不同方案主墩各項(xiàng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果一覽表(MPa)

表2 荷載2不同方案主墩各項(xiàng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果一覽表(MPa)

通過圖4～7可以看出：采用橫向單箱單室雙柱式主墩時(shí)，墩頂由于受到較大的豎向力，墩頂實(shí)心段的底部將受到較大的橫橋向拉應(yīng)力，容易造成局部開裂，常用的構(gòu)造細(xì)節(jié)均難以消除該應(yīng)力集中效應(yīng)。因此，對(duì)于承受大部分上構(gòu)荷載的主墩，不宜采用橫向雙柱的形式。而采用單箱雙室獨(dú)柱墩，由于箱型截面中腹板的直接支承作用，墩頂實(shí)心段拉應(yīng)力較小，可以通過布置受拉鋼筋，避免結(jié)構(gòu)局部開裂。

4.2 主梁分析結(jié)果

針對(duì)主梁受力復(fù)雜區(qū)域，分別提取以下幾項(xiàng)應(yīng)力：主梁0#塊頂板橫向應(yīng)力Sx1，縱向應(yīng)力Sy1；主梁0#塊底板橫向應(yīng)力Sx2，縱向應(yīng)力Sy2；主梁0#塊腹板橫向應(yīng)力Sx3，縱向應(yīng)力Sy3；0#塊橫梁橫向應(yīng)力Sx4，豎向應(yīng)力Sz4。表3、表4列出了兩種荷載工況下不同方案主梁各項(xiàng)應(yīng)力的最大值，表中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

兩種荷載工況下主梁頂板、底板及腹板橫向基本受壓，局部最大橫向拉應(yīng)力分別為2.45 MPa(頂板上緣)、0.94 MPa(底板下緣)及2.45 MPa(腹板厚度處)；主梁縱向全截面受壓。0#塊橫梁受力均勻，橫向和豎向基本處于受壓狀態(tài)，局部最大拉應(yīng)力分別為2.15 MPa、1.75 MPa。

表3 荷載1不同方案主梁各項(xiàng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果一覽表(MPa)

表4 荷載2不同方案主梁各項(xiàng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果一覽表(MPa)

通過表3和表4發(fā)現(xiàn)，主墩的4種方案對(duì)主梁0#塊局部受力幾乎無影響。

5 結(jié)語

本文以某大跨徑高墩PC部分斜拉橋?yàn)槔治鲋鞫招问?、墩頂?gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)墩梁固結(jié)這一復(fù)雜受力區(qū)域的受力影響。通過采用實(shí)體有限元分析，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于墩塔梁固結(jié)體系的高墩PC部分斜拉橋，主墩承受大部分上構(gòu)荷載，可采用整體獨(dú)柱式空心墩，且空心墩宜設(shè)置中腹板，以實(shí)現(xiàn)豎向荷載的有效傳遞，優(yōu)化主墩受力狀態(tài)。

(2)主梁0#塊縱向全截面受壓，橫向及豎向局部存在拉應(yīng)力，應(yīng)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力以消除拉應(yīng)力。

(3)主墩形式、墩頂構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)主梁0#塊局部受力幾乎無影響。