連續(xù)剛構橋的墩柱結構形式比選探究

李孟博

（新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

連續(xù)剛構橋因具有跨度大、整體性好等特點，已在我國中、小跨徑橋梁工程中廣泛應用[1]。橋墩作為橋梁主要承重結構，合理地設計更有助于保障橋梁整體安全性。因此，深入研究連續(xù)剛構橋橋墩設計參數具有重要意義[2]。近年來，國內外學者關于橋墩設計問題展開了大量研究，如桂水榮等[3]探討了橋墩高度和形式對連續(xù)剛構橋施工階段、運營階段橋梁力學性能的影響規(guī)律。馮晴[4]從主墩、邊墩方案優(yōu)化及靜力、抗震設計考慮，研究山區(qū)鐵路的高墩大跨連續(xù)剛構的施工方案，發(fā)現懸灌澆筑的施工方案最為合理。以上研究主要集中在橋墩結構參數的設計優(yōu)化，而關于橋墩結構形式的對比研究還相對較少。鑒于此，本文選取了兩種墩柱結構形式，針對連續(xù)剛構橋的變形、受力及穩(wěn)定性變化規(guī)律進行比較分析，以期為類似橋墩的設計與施工提供參考。

1 工程概況

某連續(xù)剛構橋跨徑布置為70m+118m+70m，總長258m，單幅橋面寬9.5m，車道設計為雙向四車道。主橋上部結構主梁采用單箱單室變截面，墩頂梁高7.8m，跨中梁高2.8m，懸挑翼緣寬2m，下部結構橋墩采用雙肢薄壁墩，截面尺寸為2m×7.5m，樁基礎采用現澆灌注樁。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面圖

2 建立模型

運用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立連續(xù)剛構橋基礎分析模型，模型中主梁、主墩均采用梁單元模擬，全橋共包含162個單元和176個節(jié)點。計算模型中不考慮樁土作用，主梁梁端和主墩墩頂采用一般支撐，對6個方向的自由度進行約束，主墩墩頂和主梁節(jié)點采用彈性連接中的剛性連接，對主墩底部進行固定約束，邊墩采用縱向活動約束。荷載作用主要考慮恒載、活載、溫度荷載、不均勻沉降和收縮徐變作用。雙肢薄壁墩建模截面尺寸取2m×7.5m，順橋向壁厚60cm，橫橋向壁厚100cm，墩中心間距6.8m。箱型墩建模截面尺寸取6m×7m，順橋向壁厚100cm，橫橋向壁厚100cm，墩底段2m范圍內采用實心截面，中間采用空心截面。橋梁有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型

3 結果與分析

3.1 變形分析

不同墩柱結構形式的連續(xù)剛構橋主梁位移變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，采用兩種墩柱結構形式的連續(xù)剛構橋主梁位移變化曲線基本相似，其中采用雙肢薄壁墩的連續(xù)剛構橋主梁最大位移為24.8mm，采用箱型墩的連續(xù)剛構橋主梁最大位移為25.1mm，兩者相差僅0.3mm，由此說明兩種墩柱結構形式對連續(xù)剛構橋產生的變形量相差不大，且均可滿足橋梁變形設計要求。

圖3 主梁位移變化曲線

3.2 受力分析

不同墩柱結構形式的連續(xù)剛構橋主梁彎矩變化曲線如圖4所示。

圖4 主梁彎矩變化曲線

根據圖4可知，采用兩種墩柱結構形式的連續(xù)剛構橋主梁彎矩存在一定差異，其中主梁墩頂截面彎矩值差異較為顯著，邊、中跨截面彎矩值差異相對較小，說明墩柱結構形式會對橋梁受力產生影響。采用雙肢薄壁墩和箱型墩的主梁邊跨最大彎矩值分別為7230kN·m和6210kN·m，兩者相差約1020kN·m，雙肢薄壁墩的彎矩值較大；采用雙肢薄壁墩和箱型墩的主梁中跨最大彎矩值分別為7104kN·m和7321kN·m，兩者差值不大，基本忽略不計；采用雙肢薄壁墩和箱型墩的主梁墩頂最大彎矩值分別為53811kN·m和57506kN·m，兩者相差約3695kN·m，箱型墩的彎矩值明顯較大。由此可知雙肢薄壁墩雖然主梁邊跨受力大于箱型墩，但雙肢薄壁墩墩頂截面的受力要遠遠小于箱型墩，兩種墩柱結構形式均可滿足橋梁受力要求，其中雙肢薄壁墩對于改善橋梁受力分布效果更為顯著。

3.3 穩(wěn)定性分析

不同墩柱結構形式的連續(xù)剛構橋穩(wěn)定系數變化曲線如圖5所示。

圖5 橋梁穩(wěn)定系數變化曲線

根據圖5可知，在不同施工階段，采用兩種墩柱結構形式橋梁的穩(wěn)定系數存在較大差異，且成橋階段的橋梁穩(wěn)定系數要遠遠大于施工階段的穩(wěn)定系數，說明不同墩柱結構形式會對橋梁的穩(wěn)定性產生影響。在施工階段，采用雙肢薄壁墩和箱型墩的橋梁最大穩(wěn)定系數分別為15.7和22.3，兩者相差較大，箱型墩橋梁的穩(wěn)定系數高了近29.6%。在成橋階段，采用雙肢薄壁墩和箱型墩的橋梁最大穩(wěn)定系數分別為41.9和52.7，兩者相差較大，箱型墩橋梁的穩(wěn)定系數高了約20.5%。綜合來看，兩種墩柱結構形式均可滿足橋梁穩(wěn)定性要求，但在不同施工階段，雙肢薄壁墩橋梁的穩(wěn)定系數均要小于箱型墩橋梁，說明采用箱型墩結構更有利于保障橋梁的整體安全穩(wěn)定性。

4 結束語

綜上所述，雙肢薄壁墩和箱型墩結構均可滿足橋梁變形設計要求，且兩者對連續(xù)剛構橋產生的變形量基本一致，影響不大。對于受力而言，雙肢薄壁墩雖然主梁邊跨受力大于箱型墩，但墩頂截面的受力要遠遠小于箱型墩，說明雙肢薄壁墩對于改善橋梁墩頂受力效果的作用要優(yōu)于箱型墩。在不同施工階段，箱型墩橋梁的穩(wěn)定系數整體要高于雙肢薄壁墩橋梁，說明對于保障橋梁的整體安全穩(wěn)定性而言，箱型墩結構形式效果更為顯著。不同墩柱結構形式具有不同改善效果，因此在實際施工中應根據連續(xù)剛構橋的施工要求進行設計和選擇。