大跨高低墩連續(xù)剛構(gòu)橋主墩力學(xué)性能研究

游 鑫

(中國(guó)有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450006)

連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力較強(qiáng)，施工難度小且經(jīng)濟(jì)性佳，憑借100～300 m跨徑能力的橋型中的明顯優(yōu)勢(shì)，在高速公路橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。連續(xù)剛構(gòu)橋上下部結(jié)構(gòu)一般采用對(duì)稱形式設(shè)計(jì)，而受山區(qū)地形限制跨越不對(duì)稱山谷時(shí)采用高低墩形式利于環(huán)境保護(hù)并減少工程造價(jià)，此時(shí)不同主墩截面形式對(duì)上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中及成橋后的結(jié)構(gòu)受力影響也不同，基于此開(kāi)展計(jì)算分析從而為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考十分必要。大高差連續(xù)剛構(gòu)橋研究方面，李民偉等針對(duì)大跨不等高墩連續(xù)剛構(gòu)橋建立了不同墩高比的計(jì)算模型，研究了雙肢薄壁式主墩結(jié)構(gòu)受力情況。張順民研究了高低墩墩高差分別小于30 m和大于40 m時(shí)主墩的內(nèi)力與變形，從截面厚度、變截面和設(shè)置連系梁等方面進(jìn)行了主墩受力優(yōu)化分析。陳晨海研究了高低墩剛構(gòu)橋主墩結(jié)構(gòu)參數(shù)、墩高差、收縮徐變和溫度等因素對(duì)主墩受力的影響。葛利杰以跨越某V形峽谷連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橐劳校瑢?duì)大跨不等高墩剛構(gòu)橋合龍頂推理計(jì)算進(jìn)行了研究，得出合理頂推力取高低墩頂推力的平均值為合理頂推力的結(jié)論。然而對(duì)于高低墩高差大于50 m的大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，即大高差連續(xù)剛構(gòu)橋，目前針對(duì)其主墩在施工過(guò)程中下力學(xué)性能方面的研究還較少，尚需進(jìn)一步深究。

1 高低墩連續(xù)剛構(gòu)橋

連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)，一般采用等高、對(duì)稱形式設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)主梁、下部結(jié)構(gòu)墩柱的受力較簡(jiǎn)單，相應(yīng)研究也較多。但當(dāng)橋址位于V形山谷地區(qū)時(shí)，受地形因素限制，連續(xù)剛構(gòu)橋仍采用等高橋墩設(shè)計(jì)會(huì)增加施工難度，對(duì)施工成本控制不利，且大方量開(kāi)挖與回填也會(huì)對(duì)場(chǎng)地周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。因而采用主墩不對(duì)稱即高低墩設(shè)計(jì)會(huì)成為優(yōu)選方案，但與等高墩剛構(gòu)橋相比，高低墩剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)受力將更復(fù)雜，尤其對(duì)于主墩高差較大的情況，即大高差墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋。當(dāng)主墩截面形式選擇不同，高墩與低墩剛度存在較大差異，將對(duì)施工過(guò)程及成橋后結(jié)構(gòu)受力安全、變形協(xié)調(diào)和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槎樟汗探Y(jié)形式，考慮混凝土收縮徐變和溫度作用將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)變形，因此主墩需具備一定變形能力。目前大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主墩截面設(shè)計(jì)一般包括三種截面形式：雙肢薄壁式、箱型薄壁式和箱型薄壁-雙肢薄壁組合式。

2 計(jì)算模型建立

2.1 工程背景

華溪河特大橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨180 m，主墩依設(shè)計(jì)采用高低墩形式，主墩和上部結(jié)構(gòu)箱梁混凝土分別為C40和C55，設(shè)計(jì)車輛荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，上部結(jié)構(gòu)主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，主梁寬12.55 m，上部箱梁高度和底板厚度按1.8次拋物線變化，單個(gè)T構(gòu)劃分為22個(gè)梁段，采用掛籃懸臂澆筑施工。

2.2 有限元模型

在大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主墩截面設(shè)計(jì)中，考慮墩身強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求，一般優(yōu)先采用箱型空心墩、雙肢薄壁墩及其組合式墩。根據(jù)不同形式主墩截面，對(duì)華溪特大橋主墩擬定共考慮以下4種方案，利用midas Civil建立對(duì)應(yīng)有限元仿真計(jì)算模型：

方案1：高低墩均采用箱型薄壁式；

方案2：低墩采用雙肢薄壁式，高墩采用箱型薄壁式；

方案3：高低墩均采用雙肢薄壁式；

方案4：低墩采用雙肢薄壁式，高墩采用箱型-雙肢薄壁組合式。

其中，當(dāng)?shù)投詹捎秒p肢薄壁截面形式時(shí)，在對(duì)應(yīng)1/2雙肢墩高處布置一道橫系梁；高墩采用雙肢薄壁式時(shí)分別在1/3和2/3墩高處布置一道橫系梁。

依據(jù)midas Civil建立各方案對(duì)應(yīng)的全橋仿真模型并劃分施工階段，模型中上部結(jié)構(gòu)主梁截面、預(yù)應(yīng)力束、邊界條件等均保持不變，墩梁和墩底均固結(jié)。

3 不同墩截面的結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 裸墩狀態(tài)抗側(cè)移剛度

4種設(shè)計(jì)方案中共包含低墩2種截面形式和高墩3種截面形式，基于此建立不同主墩截面形式下對(duì)應(yīng)的裸墩有限元模型，計(jì)算所得高低墩不同形式下的抗側(cè)移剛度如表1所示。

由表1知，若高低墩墩高不變，且主墩橫斷面的面積相等，低墩采用箱型薄壁式時(shí)，無(wú)論橫橋向還是縱橋向的抗側(cè)移剛度均比雙肢薄壁式大；高墩的3種截面形式中，縱、橫橋向的抗側(cè)移剛度由大到小均為箱型薄壁式、組合式和雙肢薄壁式。方案1～4的高低墩縱橋向抗側(cè)移剛度比分別為0.19，0.81，0.33和0.45；橫橋向抗側(cè)移剛度比分別為0.18，0.27，0.18和0.24。

表1 不同截面主墩抗側(cè)移剛度 單位：kN·m-1

3.3 最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性

高低墩剛構(gòu)橋施工過(guò)程中，高墩最大懸臂狀態(tài)為穩(wěn)定分析最不利階段，對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析是高低墩剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)高墩的3種截面形式下對(duì)應(yīng)的最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行屈曲模態(tài)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 高墩最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定分析結(jié)果

由表2所得不同截面的高墩最大懸臂狀態(tài)前3階屈曲模態(tài)知，三種截面形式下對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)均大于4，表明三種方案在最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性均滿足施工安全要求。三種高墩截面形式中，以箱型薄壁式穩(wěn)定性最高，組合式次之，雙肢薄壁式穩(wěn)定性相對(duì)較低，即施工過(guò)程中方案1和2的高墩最穩(wěn)定，方案4次之，方案3高墩采用雙肢薄壁式截面時(shí)在最大懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)最低。

3.3 成橋后結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)

(1)成橋鋪裝全橋穩(wěn)定性

高低墩成橋后各方案全橋穩(wěn)定性計(jì)算通過(guò)屈曲模態(tài)得到，4種方案對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)前三階計(jì)算結(jié)果如表3所示。與高墩最大懸臂狀態(tài)穩(wěn)定性相比，在中跨合龍施工完成后，體系由靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成高次超靜定結(jié)構(gòu)，4種方案的整體穩(wěn)定性均得到了顯著提升。依據(jù)表3計(jì)算結(jié)果知，高低墩剛構(gòu)橋成橋后發(fā)生失穩(wěn)主要為橫向失穩(wěn)，其中主墩若采用柔度較大的雙肢薄壁式截面形式，前二階穩(wěn)定系數(shù)較接近，失穩(wěn)形式分別為橫向失穩(wěn)和縱向失穩(wěn)。

表3 成橋后全橋穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

(2)成橋十年結(jié)構(gòu)受力與變形

基于全橋有限元仿真模型，高低墩剛構(gòu)橋在合龍前不施加頂推力時(shí)，4種方案在十年收縮徐變下主墩內(nèi)力、墩頂位移及主梁跨中下?lián)嫌?jì)算結(jié)果如表4所示。若考慮合龍前施加頂推力，其計(jì)算一般需先確定最佳頂推量?？紤]實(shí)際施工中，完全消除墩頂水平位移是不必要的，原因主要在于合龍階段過(guò)大的頂推力會(huì)對(duì)主墩墩頂和墩底受力不利，尤其是對(duì)于剛度較大的低墩而言。因此依據(jù)大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋合龍頂推計(jì)算理論及參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本文按式1確定最佳頂推量。在4種方案中包含低墩2種截面形式和高墩3種截面形式，假定合龍前施工現(xiàn)場(chǎng)溫度滿足設(shè)計(jì)要求，各方案對(duì)應(yīng)的最佳頂推量確定及頂推力計(jì)算如表5所示。

=(++×80)

(1)

表4 合龍前無(wú)頂推十年收縮徐變作用下墩梁內(nèi)力與變形

表5 不同截面主墩最佳頂推量及頂推力

高低墩頂推力的計(jì)算，參考相關(guān)研究可取兩墩最有利頂推力的平均值。因而可確定方案1～4的最佳頂推力分別為1 800 kN、1 450 kN、800 kN和950 kN。由此可知，不同墩截面形式的高低墩剛構(gòu)橋最有利頂推力存在較大差異，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮高低墩墩頂水平偏位和主墩受力情況確定。將所得最佳頂推力分別施加于計(jì)算模型中，得到各方案頂推施加后和成橋十年后主墩的受力與變形情況，如表6所示。

表6 合龍前施加頂推力墩梁內(nèi)力與變形

通過(guò)對(duì)比表4和表6可知，主墩受力方面，各方案在合龍前施加頂推力后均明顯改善了高低墩受力情況，其中主墩彎矩和最大剪力均顯著減??；主墩變形方面，墩頂位移和上部結(jié)構(gòu)十年收縮徐變階段的最大下?lián)现翟谑┘拥挠?jì)算頂推力作用下明顯減小。此外，若大高差墩主墩剛度相差很大(方案1)，則無(wú)論頂推與否，低墩墩頂墩底的彎矩和剪力均較大，受力較不利；若主墩剛度較接近(方案2)，合龍前施加頂推力能有效減小主墩最大剪力，且成橋十年后高低墩墩頂水平偏位基本相同；若高低墩均采用柔性較大的雙肢薄壁式截面時(shí)(方案3)，則無(wú)論頂推與否，高墩和低墩所受剪力均較小，變形較大，但通過(guò)施加合理頂推力可有效改善成橋后高低墩水平偏位差值，達(dá)到優(yōu)化線形的目的；方案4較方案3，其高墩底彎矩和主墩剪力較大而高墩水平偏位較小，亦可通過(guò)頂推進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

4 結(jié) 論

(1)高低墩剛構(gòu)橋主墩設(shè)計(jì)盡量避免均選擇箱型薄壁墩。主要在于施工階段的穩(wěn)定性雖能得以保證，但較大的主墩抗側(cè)移剛度會(huì)使結(jié)構(gòu)難以滿足成橋十年后的變形需求且對(duì)主墩抗剪能力要求較高。

(2)高低墩剛構(gòu)橋主墩設(shè)計(jì)采用雙肢薄壁式低墩，箱型薄壁式高墩時(shí)，主墩穩(wěn)定性較好，且主墩的受力優(yōu)化及線形改善均可通過(guò)施加合理頂推力實(shí)現(xiàn)。

(3)高低墩剛構(gòu)橋主墩均選擇柔度較大的截面設(shè)計(jì)時(shí)，考慮施工階段尤其高墩的穩(wěn)定性要求及成橋十年墩頂偏位，箱型-雙肢薄壁組合式較雙肢薄壁式為優(yōu)，主墩受力方面也可通過(guò)頂推進(jìn)一步優(yōu)化。