高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋受力分析

韋卓彬

(廣西交建工程建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

山區(qū)橋梁中小跨徑通常采用常規(guī)預(yù)制T梁或箱梁方案,大跨徑通常采用連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋,其中應(yīng)用較多的橋型為連續(xù)剛構(gòu)橋。該橋型主跨通常在100～250 m,其跨徑越大,往往墩高較高。一般而言,在相對(duì)平坦的地區(qū),通過(guò)合理的橋型位置布置,可將連續(xù)剛構(gòu)橋墩高做到接近,此時(shí)結(jié)構(gòu)整體受力對(duì)稱(chēng),力學(xué)性能較好。但當(dāng)河道地面線(xiàn)起伏較大,河道兩側(cè)地面線(xiàn)高差變化明顯,同時(shí)橋梁平均墩高仍較高時(shí),具有明顯墩高落差的高低墩連續(xù)剛構(gòu)橋是必要的選擇方案。高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋與常規(guī)剛構(gòu)橋相比,主墩抗推剛度明顯不同,受力狀態(tài)將發(fā)生改變。

陳堯三[1]對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)和病害控制進(jìn)行了探討。劉通[2]基于Midas Civil軟件,采用彈塑性分析方法對(duì)控制截面應(yīng)力和變形進(jìn)行了研究;劉國(guó)華等[3]結(jié)合某運(yùn)營(yíng)高速高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋,對(duì)抗震性能進(jìn)行了評(píng)價(jià);姜濤等[4]對(duì)超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主墩設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討;向亞軍[5]對(duì)某大跨連續(xù)剛構(gòu)橋177.4 m雙肢薄壁-箱型組合墩施工過(guò)程穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,該墩高下穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求;郝建鋒[6]對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃設(shè)計(jì)和最新施工技術(shù)進(jìn)行了探析;馮源露[7]以某鐵路高低墩特大剛構(gòu)橋?yàn)橐劳?對(duì)施工過(guò)程和成橋狀態(tài)下全橋受力特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。目前文獻(xiàn)關(guān)于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的研究主要圍繞結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、施工工藝、受力分析和成橋過(guò)程等方面,對(duì)山區(qū)公路高低墩橋型下的大跨連續(xù)剛構(gòu)橋研究相對(duì)較少。本文結(jié)合Midas Civil軟件,對(duì)高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行分析,提高設(shè)計(jì)人員對(duì)此類(lèi)橋型的認(rèn)識(shí)。

1 工程背景

某山區(qū)高速公路采用雙向四車(chē)道布置,半幅橋面總寬為12.25 m,設(shè)計(jì)速度為80 km/h,設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí),地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g。為跨越溝谷,經(jīng)橋型方案研究后,主橋采用(117+220+117) m大跨連續(xù)剛構(gòu)橋方案,邊中跨比為0.53,在合理范圍內(nèi),引橋采用40 m常規(guī)預(yù)制T梁。溝谷陡峭,主墩高度分別為78 m和156 m,具有典型的高低墩特征。本次設(shè)計(jì)橋墩分別選擇雙肢薄壁墩和雙肢薄壁-箱型組合墩。主梁采用單箱單室現(xiàn)澆箱梁形式,墩頂截面高13.5 m,跨中截面高4.5 m,梁高和底板厚度變化采用1.6次拋物線(xiàn)形式,頂板厚度為30 cm,腹板厚度采用三次漸變形式,依次由90 cm調(diào)整至60 cm。主梁和主墩均采用C55混凝土。該橋橋型布置圖如圖1所示。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋橋型布置圖(cm)

2 橋墩選型分析

大跨度連續(xù)剛構(gòu)主墩設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。一般而言,主墩型式包括:獨(dú)柱空心墩、雙肢薄壁墩和雙肢薄壁-箱型組合墩等,合理選擇橋墩型式能夠使主梁受力處于較優(yōu)狀態(tài),同時(shí)也影響樁基工程量。3種墩型中,獨(dú)柱空心墩對(duì)于墩高的適應(yīng)范圍較廣。此處在本設(shè)計(jì)墩型的基礎(chǔ)上,對(duì)比主墩若選擇為獨(dú)柱空心墩型式,分析大跨連續(xù)剛構(gòu)橋受力差異。由于墩高較高,獨(dú)柱空心墩采用箱型墩形式,箱型墩截面如圖2所示,其中短邊為橫橋向,對(duì)于雙肢薄壁-箱型組合墩而言,主墩上部雙肢薄壁部分與兩側(cè)小箱室尺寸一致,雙肢薄壁中心距為9.5 m。

圖2 箱型墩結(jié)構(gòu)尺寸圖(cm)

基于Midas Civil軟件,采用梁?jiǎn)卧紤]施工過(guò)程,分別建立本設(shè)計(jì)和獨(dú)柱箱型墩兩種墩型下的有限元模型,如圖3所示。

(a)本設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算分析:標(biāo)準(zhǔn)組合下,對(duì)于本設(shè)計(jì)而言,主墩樁頂反力分別為258 820.3 kN和379 208.3 kN;對(duì)于獨(dú)柱箱型墩而言,主墩樁頂反力分別為290 288.3 kN和411 581.4 kN,原設(shè)計(jì)相比于獨(dú)柱箱型墩樁頂反力減少12.2%和8.5%,有利于節(jié)約樁基工程量。提取基本組合下主墩墩頂、1/4截面、跨中截面和3/4截面彎矩進(jìn)行分析,如圖4所示。

圖4 兩種墩型主跨關(guān)鍵截面彎矩對(duì)比曲線(xiàn)圖

兩種墩型對(duì)于主跨跨中、1/4截面和3/4截面彎矩影響不大,主要影響主墩墩頂彎矩,采用本設(shè)計(jì)主墩型式,主墩墩頂彎矩分別降低10.3%和16.5%,橋墩越高采用雙肢薄壁-箱型組合墩墩頂彎矩較獨(dú)柱箱型墩減少較多。綜合考慮樁基材料和主梁內(nèi)力情況,采用本設(shè)計(jì)墩型能夠節(jié)約投資。

3 高低墩參數(shù)分析

3.1 高低墩與等高墩主梁內(nèi)力差異分析

為了研究高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋與等高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋受力的差異,分別取本設(shè)計(jì)高低墩墩高、等低墩墩高和等高墩墩高3種情形進(jìn)行分析,墩高影響抗推剛度,主要影響收縮徐變內(nèi)力和系統(tǒng)溫度內(nèi)力,對(duì)溫度梯度內(nèi)力基本沒(méi)影響,計(jì)算得到主跨關(guān)鍵截面收縮徐變彎矩和系統(tǒng)升溫(系統(tǒng)降溫規(guī)律一致)彎矩分別如圖5和圖6所示,其中收縮徐變定義為10年,系統(tǒng)升溫為25 ℃。

圖5 本設(shè)計(jì)與等墩高收縮徐變彎矩對(duì)比曲線(xiàn)圖

圖6 本設(shè)計(jì)與等墩高系統(tǒng)升溫彎矩對(duì)比曲線(xiàn)圖

計(jì)算結(jié)果表明:

(1)當(dāng)墩高整體較低時(shí),即等低墩墩高狀態(tài)下,主梁關(guān)鍵截面收縮徐變彎矩和系統(tǒng)溫度彎矩均較小。

(2)就收縮徐變引起的主梁彎矩而言,由于基本組合下主墩墩頂處存在較大的負(fù)彎矩,因此收縮徐變彎矩為正值時(shí)有利于彎矩控制。3種狀態(tài)下收縮徐變均為正值,對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利。等高墩墩高狀態(tài)收縮徐變彎矩整體大于等低墩墩高。高低墩狀態(tài)下低墩墩頂收縮徐變彎矩最小,高墩墩頂收縮徐變彎矩最大。

(3)就系統(tǒng)升溫引起的主梁彎矩而言,等低墩墩高和等高墩墩高兩種狀態(tài)下關(guān)鍵截面整體規(guī)律基本一致。高低墩狀態(tài)下低墩墩頂和高墩墩頂截面彎矩差值明顯增大,表明高低墩由于主墩抗推剛度發(fā)生改變后造成水平荷載發(fā)生重分布,使結(jié)構(gòu)受力較等墩墩高狀態(tài)更為不利。

3.2 高低墩墩高差對(duì)主梁內(nèi)力影響分析

在本設(shè)計(jì)高低墩墩高的基礎(chǔ)上,逐漸增大墩高差,進(jìn)一步研究墩高差對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋受力的影響。此處保持156 m高墩墩高不變,使低墩由78 m分別降至58 m、38 m和18 m,保持主墩截面形狀不變,分別得到關(guān)鍵截面收縮徐變彎矩和溫度梯度彎矩如圖7和圖8所示。

圖7 不同低墩墩高收縮徐變彎矩對(duì)比曲線(xiàn)圖

圖8 不同低墩墩高系統(tǒng)升溫彎矩對(duì)比曲線(xiàn)圖

由圖7～8計(jì)算結(jié)果表明:低墩墩高在由本設(shè)計(jì)78 m降低至38 m的過(guò)程中,低墩墩頂收縮徐變彎矩逐漸降低,高墩墩頂收縮徐變彎矩逐漸增大,低墩和高墩墩頂系統(tǒng)升溫彎矩逐漸增大;當(dāng)?shù)投斩崭呓抵?8 m時(shí),低墩墩頂收縮徐變和系統(tǒng)升溫彎矩變化趨勢(shì)正好相反,即收縮徐變彎矩突然增大,系統(tǒng)升溫彎矩突然減小,而高墩墩頂收縮徐變和系統(tǒng)溫度彎矩變化趨勢(shì)不變。建議山區(qū)高速公路高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在設(shè)計(jì)時(shí)低墩墩高應(yīng)控制在合理范圍內(nèi),不宜過(guò)小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某山區(qū)高速公路(117+220+117) m高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象,基于Midas Civil軟件探討了橋墩型式和高低墩參數(shù)對(duì)主梁受力的影響,得出主要結(jié)論如下:

(1)本設(shè)計(jì)連續(xù)剛構(gòu)低墩和高墩所分別選用的雙肢薄壁墩和雙肢薄壁-箱型組合墩橋墩型式相對(duì)合理,主梁受力較好,同時(shí)節(jié)約樁基造價(jià)。

(2)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋高低墩相比于主墩等高而言,高墩墩頂收縮徐變正彎矩較大,系統(tǒng)升溫負(fù)彎矩較大。當(dāng)高低墩墩高在一定范圍內(nèi)相差越大時(shí),低墩墩頂收縮徐變彎矩越小,高墩墩頂收縮徐變彎矩越大,低墩和高墩墩頂系統(tǒng)升溫彎矩?cái)?shù)值也越大。山區(qū)高速公路大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免使主墩墩高差距過(guò)大,當(dāng)墩高懸殊時(shí)應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算進(jìn)行合理配束和施工控制。