薄壁空心高墩的設(shè)計(jì)與分析

謝 瑋

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶市 400041）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)橋梁事業(yè)飛速發(fā)展，大量公路得以修建，對(duì)公路交通建設(shè)提出越來(lái)越高的要求。然而，西部多山區(qū)，溝谷洼地均需建設(shè)橋梁進(jìn)行跨越，這在橋梁較好發(fā)展機(jī)遇的背景下增添不少挑戰(zhàn)?；谖鞑可絽^(qū)地貌特點(diǎn)，公路的修建必然需要跨越深溝峽谷，橋梁高墩大跨化勢(shì)在必行。新中國(guó)成立初期，由于受施工技術(shù)的限制，高墩的截面形式多為實(shí)體墩。隨著墩高不斷加大，墩身尺寸也隨之增大，高墩所帶來(lái)的一系列諸如墩身自重、剛度及受溫度影響等問(wèn)題，是我們亟須解決的。高墩具有相當(dāng)大的建筑高度，為減輕其結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)減少材料用量降低成本，常被設(shè)計(jì)為空心薄壁形式。薄壁空心橋墩截面構(gòu)造形式多樣，按其外輪廓形狀可劃分為圓形、矩形及多邊形截面，按其內(nèi)部箱室可劃分為單箱單室、單箱多室截面（見(jiàn)表1、表2）。基于薄壁空心高墩順橋向較低的抗推剛度，上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力得以釋放，但其自身位移和彎矩需分析研究。

表1 國(guó)外目前已建成的高墩橋梁

表2 國(guó)內(nèi)目前已建成的高墩橋梁

本文就薄壁空心高墩考慮溫度效應(yīng)的實(shí)際荷載響應(yīng)分析建立有限元模型，重點(diǎn)分析其自重、上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的恒活載、制動(dòng)力及溫度荷載的共同作用下墩頂?shù)淖畲笏轿灰萍岸盏鬃畲髲澗?，并給出幾何非線性考慮與否對(duì)墩頂位移及墩底彎矩的影響。

1 工程概況

薄壁空心高墩作為目前橋梁設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種橋墩形式，可達(dá)較高高度的墩身和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的空心結(jié)構(gòu)是其備受青睞的原因[1]。華村立交南引橋4～7軸為3×51.5 m與嘉華連續(xù)剛構(gòu)橋相接的3跨連續(xù)梁，立面如圖1所示。其中，第5、6、7軸線的橋墩均為高橋墩，其高度分別為41.4 m、30.9 m、27.3 m。為了減小橋墩自重及下部結(jié)構(gòu)工程量，減輕地基的負(fù)荷，并使結(jié)構(gòu)在外觀上變得更加輕盈，上述橋墩采用薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)形式，其截面如圖2所示。為了保證墩壁的穩(wěn)定性和方便施工，并有效防止薄壁墩墩壁的畸變，在薄壁高墩內(nèi)部按適當(dāng)間距設(shè)置了橫隔板。

圖1 南引橋4～7軸立面圖（單位：mm）

圖2 南引橋薄壁空心高橋墩截面圖（單位：mm）

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)于墩高在30 m以下的矮墩，往往僅需考慮縱向及橫向的外力，其墩身截面尺寸由豎向應(yīng)力控制。與常規(guī)橋墩相比，薄壁空心高墩的設(shè)計(jì)控制因素由豎向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)向墩頂位移和墩底彎矩，其幾何非線性及受到的日照溫差影響已不能忽視。

對(duì)于常規(guī)橋墩，僅采用基于彈性理論的幾何線性分析方法對(duì)橋墩的內(nèi)力及變形進(jìn)行分析已然足夠，不會(huì)引起較大誤差。但薄壁空心高橋墩屬于細(xì)長(zhǎng)柔性桿件，其較為顯著的幾何非線性力學(xué)特征，是設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的因素。

另外，在日照作用下，鋼筋混凝土橋墩向陽(yáng)壁的表面溫度因太陽(yáng)光輻射而急劇升高，背陽(yáng)面溫度隨著氣溫變化而緩慢變化，兩者之間產(chǎn)生較大溫差，從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度力。特別對(duì)于重慶地區(qū)，夏季氣候酷熱，日照時(shí)間長(zhǎng)，使得溫度效應(yīng)成為薄壁高墩設(shè)計(jì)必須考慮的因素。

3 薄壁高墩的有限元分析

薄壁高墩的計(jì)算分析，除要考慮橋墩本身所受荷載，如自重、上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的恒活載、溫度效應(yīng)及風(fēng)荷載外，還要考慮上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)對(duì)其的約束作用，上部結(jié)構(gòu)通過(guò)支座，將其自身變形影響部分施加于橋墩，即應(yīng)上部、下部結(jié)構(gòu)同時(shí)參與計(jì)算。

為準(zhǔn)確把握南引橋薄壁空心高橋墩的受力特性，建立了相應(yīng)的有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。有限元分析采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行。以BEAM188空間梁?jiǎn)卧M箱梁及薄壁高墩，并進(jìn)行了足夠精細(xì)的單元?jiǎng)澐諿2]。圖3為南引橋4～7軸薄壁高墩的計(jì)算模型。

圖3 南引橋薄壁空心高橋墩有限元模型

在有限元分析時(shí)，主要的荷載包括墩自重、上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的恒活載及制動(dòng)力等。此外，還重點(diǎn)考慮了溫度效應(yīng)的影響。薄壁橋墩的溫差荷載主要是日照溫差荷載和升降溫溫差荷載。參考王永保等[3]的研究成果并考慮重慶市的氣候狀況，取日照溫差荷載為10℃，整體升溫荷載為20℃。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]第4.1.6條的規(guī)定，按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，溫度荷載應(yīng)乘以1.4的分項(xiàng)系數(shù)及0.8的組合系數(shù)，則溫度荷載的設(shè)計(jì)值分別為：日照溫差11.2℃及整體升溫22.4℃。圖4為7號(hào)軸橋墩的溫度分布。

圖4 南引橋7號(hào)軸薄壁空心高橋墩溫度荷載分布

圖5為南引橋薄壁高墩在自重、上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)恒活載、制動(dòng)力及溫度荷載作用下的位移圖，圖6為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)彎矩圖，所有內(nèi)力均為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)值。計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮了因幾何非線性引起的初應(yīng)力剛度矩陣和大位移剛度矩陣對(duì)單元?jiǎng)偠鹊挠绊憽?/p>

圖5 南引橋薄壁空心高橋墩位移圖

圖6 南引橋薄壁空心高橋墩彎矩圖

由圖5、圖6可知，在自重、上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的恒活載、制動(dòng)力及溫度荷載的共同作用下，將在墩頂引起近5.0 cm的水平位移，并在7號(hào)軸墩底引起27 900 kN·m的強(qiáng)大彎矩，從而使該工況成為華村立交南引橋薄壁高墩設(shè)計(jì)的控制工況。

4 薄壁高墩幾何非線性的影響

在上述計(jì)算過(guò)程中，全面地考慮了薄壁高墩的大位移幾何非線性特性。計(jì)算表明，若不考慮大位移幾何非線性，對(duì)于薄壁高墩的設(shè)計(jì)將導(dǎo)致偏危險(xiǎn)的結(jié)果。

圖7、圖8為不考慮大位移幾何非線性時(shí)的位移和彎矩圖。由圖中可見(jiàn)，不考慮大位移幾何非線性時(shí)，薄壁高墩墩頂水平位移減小為4.7 cm，7號(hào)軸墩底彎矩更降為25 900 kN·m。因此，不考慮大位移幾何非線性，將使薄壁高墩墩底彎矩被低估約7.2%而偏于危險(xiǎn)。

圖7 南引橋薄壁空心高橋墩位移圖（不考慮幾何非線性）

圖8 南引橋薄壁空心高橋墩彎矩圖（不考慮幾何非線性）

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，有日照溫差荷載和整體升溫荷載參與組合的荷載工況將成為華村立交薄壁高墩設(shè)計(jì)時(shí)的控制工況之一。忽略高柔橋墩的大位移幾何非線性特性，有可能導(dǎo)致偏于危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)果。