中小跨徑預(yù)制裝配式梁橋長聯(lián)剛構(gòu)體系總體研究

劉夢琦，馮林軍，林光毅，包江磊，孫昌祿

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310000；2.浙江交投交通建設(shè)管理有限公司，杭州 310000）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)的使用需求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，橋梁設(shè)計(jì)理念更加注重橋梁的行車舒適性、耐久性、施工便利性和全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性。常規(guī)結(jié)構(gòu)體系一般采用結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)或先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)。簡支結(jié)構(gòu)橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)橋面容易破損，影響行車舒適性和運(yùn)營安全，后期維修養(yǎng)護(hù)工作量大；先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)施工工序較復(fù)雜。另外，兩種結(jié)構(gòu)均要設(shè)置支座，支座需要定期維修養(yǎng)護(hù)和更換。

為解決上述橋梁常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)存問題，提出了一種長聯(lián)剛構(gòu)橋梁，并應(yīng)用于浙江某地區(qū)7×30 m城市高架T梁橋。本橋在常規(guī)墩梁固結(jié)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，優(yōu)化橋梁上下部線剛度比形成預(yù)制裝配式T梁橋長聯(lián)剛構(gòu)體系，充分發(fā)揮了T梁自身優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，并彌補(bǔ)了常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的缺點(diǎn)。

2 工程概況

某工程7×30 m城市高架橋（見圖1）的上部結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋?qū)?4 m，雙向六車道，汽車荷載采用公路I級；下部結(jié)構(gòu)從經(jīng)濟(jì)性和景觀要求等出發(fā)，采用大挑臂蓋梁和雙柱式墩，全聯(lián)墩高范圍為15～22 m，墩臺采用摩擦樁基礎(chǔ)，地質(zhì)由約20 m粉土、10 m淤泥質(zhì)黏土、30 m粉土、20 m細(xì)沙黏土夾層和圓礫構(gòu)成，各土層地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 各土層地質(zhì)參數(shù)

圖1 橋型布置圖

3 長聯(lián)剛構(gòu)體系受力特性分析

3.1 主要荷載

通過對7×30 m計(jì)算模型分別施加主要荷載的單位力來對主梁墩頂、橋墩墩頂和橋墩墩底3個(gè)關(guān)鍵界面進(jìn)行長聯(lián)剛構(gòu)體系的受力特性分析。針對長聯(lián)剛構(gòu)體系，其主要荷載類型包括水平荷載（制動力、風(fēng)荷載）、溫度作用（升溫、降溫）、收縮、豎向荷載（集中荷載、均布荷載），以及基礎(chǔ)沉降。不同類型的荷載對橋梁不同位置結(jié)構(gòu)的影響不同[1]。

3.2 關(guān)鍵受力響應(yīng)

3.2.1 水平荷載（制動力、風(fēng)荷載）

根據(jù)圖2水平荷載作用下的彎矩分布圖可得，在水平荷載作用下，橋梁的受力特性主要是以橋墩受力為主，主梁受力較小。每個(gè)橋墩所分配的水平荷載大小受各橋墩水平線剛度比ni=Ki/∑Ki影響；每個(gè)墩柱的最大彎矩Mmax、最小彎矩Mmin值受相應(yīng)墩柱框架線剛度比ni′=βi/∑βi影響。

圖2 水平荷載作用下彎矩分布圖

3.2.2 溫度作用（升溫、降溫）

根據(jù)圖3溫度作用下的彎矩分布圖可得，在溫度作用下，橋梁的受力特性主要是以橋墩受力為主，主梁受力較小。每個(gè)橋墩所分配的溫度力大小受橋墩水平線剛度比ni=Ki/∑Ki和距橋梁變形不動點(diǎn)Li的共同影響，外側(cè)墩柱受力最不利；每個(gè)墩柱的最大彎矩Mmax、最小彎矩Mmin值受相應(yīng)墩柱框架線剛度比ni′=βi/∑βi影響。收縮作用與降溫作用特性類似。

圖3 溫度作用下彎矩分布圖

3.2.3 豎向均布荷載

根據(jù)圖4豎向均布荷載作用下的彎矩分布可得，在豎向均布荷載作用下，橋梁的受力特性主要是以主梁受力為主，橋墩受力較小。

圖4 豎向均布荷載作用下彎矩分布圖

3.2.4 豎向集中荷載

根據(jù)圖5豎向集中荷載作用下的彎矩分布圖可得，在豎向集中荷載作用下，橋梁的受力特性主要是以主梁受力為主，橋墩受力較小，主梁的彎矩取決于外荷載的大小。

圖5 豎向集中荷載作用下彎矩分布圖

3.3 長聯(lián)剛構(gòu)體系關(guān)鍵問題

由以上各類作用效應(yīng)圖可知，橋梁負(fù)彎矩區(qū)受力及外側(cè)橋墩受力最為不利。由于長聯(lián)剛構(gòu)體系為多次超靜定結(jié)構(gòu)，混凝土收縮、徐變、溫度變化、水平荷載和墩臺不均勻沉降等引起的附加內(nèi)力對橋梁負(fù)彎矩區(qū)受力影響較大。但對于下部墩柱，長聯(lián)剛構(gòu)橋梁的關(guān)鍵問題在于合理控制外側(cè)墩柱的受力情況，即合理平衡橋墩水平線剛度比ni=Ki/∑Ki、框架線剛度比ni′=βi/∑βi和距橋梁變形不動點(diǎn)Li三者之間的關(guān)系。

4 長聯(lián)剛構(gòu)體系的對比研究

根據(jù)以上長聯(lián)剛構(gòu)橋梁的橋墩受力特性分析，如果每個(gè)橋墩保持線剛度相等，水平荷載所引起的每個(gè)橋墩的彎矩大小相等，但由于溫度荷載的特點(diǎn)，越遠(yuǎn)離橋梁變形不動點(diǎn)，橋墩所分配的彎矩越大，越靠近橋梁變形不動點(diǎn)，彎矩越小。這種內(nèi)力疊加的最終結(jié)果是不合理的，會使得外側(cè)橋墩承擔(dān)過大的彎矩而難以滿足驗(yàn)算要求[2]。因此，為合理改善內(nèi)力分配，應(yīng)使得長聯(lián)剛構(gòu)橋梁中每個(gè)橋墩的內(nèi)力保持在相似水平。現(xiàn)擬提出3種長聯(lián)剛構(gòu)體系方案進(jìn)行對比分析：方案一的所有墩柱剛度均等，采用背景工程的標(biāo)準(zhǔn)柱式墩尺寸；方案二的兩側(cè)次邊墩（1#墩和6#墩）墩柱線剛度較小，以減小次邊墩墩柱的線剛度比；方案三的兩側(cè)次邊墩（1#墩和6#墩）墩柱的線剛度較小，并設(shè)置一道縱向整體式地系梁連接最中間兩個(gè)墩柱（3#墩和4#墩）的樁基礎(chǔ)，以提高中間墩柱的線剛度比。以背景工程的標(biāo)準(zhǔn)尺寸墩柱的線剛度大小作為基準(zhǔn)，可得各方案墩柱相對線剛度比見表2。

表2 各方案墩柱相對線剛度比

由于最外側(cè)橋墩（次邊墩）受力最為不利，故3種方案的計(jì)算結(jié)果以次邊墩墩柱的裂縫寬度和壓應(yīng)力大小作為比較因素進(jìn)行對比，驗(yàn)算原則為裂縫寬度不得大于0.15 mm，壓應(yīng)力不得大于0.5fck=16.2 MPa（fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），計(jì)算結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 3種方案次邊墩計(jì)算結(jié)果

由圖6可知，方案一的次邊墩墩柱裂縫寬度和壓應(yīng)力均超過要求；方案二的次邊墩墩柱裂縫在允許范圍內(nèi)，并且混凝土壓應(yīng)力大小合適；方案三和方案二的計(jì)算結(jié)果相似，說明次邊墩的受力基本一致，因此縱向地系梁的設(shè)置對該長聯(lián)結(jié)構(gòu)影響較小，而且經(jīng)濟(jì)性較差。所以方案二的次邊墩受力最合理，且該方案經(jīng)濟(jì)性較好。方案二中，次邊墩的線剛度較小，接近標(biāo)準(zhǔn)尺寸墩柱線剛度的20%，可稱作柔性墩柱。針對柔性墩柱的設(shè)計(jì)和選型，根據(jù)柔性墩柱線剛度為標(biāo)準(zhǔn)尺寸墩柱線剛度的20%的原則，擬提出3種常見柔性墩柱方案進(jìn)行比選（見表3）[3]，各方案示意圖見圖7。

表3 3種柔性墩柱方案

圖7 3種柔性墩示意圖

將以上3種柔性墩柱方案代入計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果輸出見表4，雙肢薄壁墩為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要驗(yàn)算極限狀態(tài)下的裂縫寬度和混凝土壓應(yīng)力大?。讳摴芑炷翞殇摶旖Y(jié)構(gòu)，主要驗(yàn)算其組合拉應(yīng)力和組合壓應(yīng)力大小；鋼管樁為鋼結(jié)構(gòu)，需驗(yàn)算其鋼材的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力大小。

表4 3種柔性墩柱方案計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可以看出，3種柔性墩柱的驗(yàn)算指標(biāo)均已在允許范圍內(nèi)且部分接近允許極限值，因此，3種柔性墩柱的線剛度大小在背景工程長聯(lián)剛構(gòu)體系中均達(dá)到臨界值邊緣，所以仍需比較3種柔性墩柱的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，從而對3種柔性墩柱形式的工程應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行綜合考慮。在墩柱屈曲分析中，架梁階段是對墩柱穩(wěn)定性最不利的階段，這個(gè)階段主要以梁板自重和主梁架橋機(jī)荷載作為可變荷載對墩柱進(jìn)行屈曲分析，屈曲分析結(jié)果見圖8。3種墩柱的屈曲破壞模式相同，根據(jù)圖8分析結(jié)果可知雙肢薄壁墩穩(wěn)定系數(shù)更高。除此之外，經(jīng)濟(jì)性也是實(shí)際工程中不可缺少的考慮因素，根據(jù)單個(gè)橋墩每米柱高的造價(jià)分析進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比。從圖9柔性墩柱形式造價(jià)對比可得，在3種柔性墩柱中，雙肢薄壁墩最為經(jīng)濟(jì)，但造價(jià)較標(biāo)準(zhǔn)尺寸墩柱高。綜合考慮，雙肢薄壁墩驗(yàn)算富余度較大、穩(wěn)定系數(shù)較高，在常規(guī)柔性墩柱中經(jīng)濟(jì)性較好，因此，推薦采用雙肢薄壁墩作為柔性墩柱。

圖8 屈曲分析結(jié)果

圖9 造價(jià)對比分析

5 結(jié)論和設(shè)計(jì)建議

通過對7×30 m工程案例的結(jié)構(gòu)分析可知，對于長聯(lián)剛構(gòu)橋梁，可得如下結(jié)論和設(shè)計(jì)建議：

1）長聯(lián)剛構(gòu)體系是橋墩水平線剛度比、框架線剛度比和聯(lián)長的綜合作用的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)綜合考慮上、下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性。

2）由于溫度作用主要由外側(cè)墩柱承擔(dān)，因此，可通過增加中間墩柱的線剛度比或減小外側(cè)墩柱線剛度比來減小外側(cè)墩柱的水平荷載的分配，從而減小外側(cè)墩柱的受力負(fù)擔(dān)，優(yōu)化內(nèi)力分配，控制裂縫寬度和混凝土壓應(yīng)力大小。

3）長聯(lián)剛構(gòu)體系雖然可以突破常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的聯(lián)長，但是從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，過長的聯(lián)長會導(dǎo)致外側(cè)設(shè)置更多的柔性墩柱，減少的支座和伸縮縫不足以彌補(bǔ)柔性墩柱增加的造價(jià)，因此，不建議聯(lián)長過長。

4）此長聯(lián)剛構(gòu)體系適用于地勢平坦的城市高架橋，對于在地形起伏較大的山區(qū)橋梁，由于墩高的變化較大，影響各墩柱線剛度大小，因此，柔性墩柱的位置不一定設(shè)置在橋梁最外側(cè)，具體工程仍需具體分析。

5）由于附加內(nèi)力的影響，此長聯(lián)剛構(gòu)體系中上部結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩區(qū)仍需作為一個(gè)控制聯(lián)長的主要考慮因素。