不等高雙肢薄壁墩對大跨連續剛構靜力影響＊

（昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500）

目前對大跨連續剛構橋橋墩的研究主要集中在橋墩類型的選取［1］、橋墩剛度的計算［2－4］、橋墩尺寸的優化［5－9］、不同橋墩形式連續剛構橋的地震響應分析［10］等．連續剛構橋梁為適應溫度變化、混凝土收縮徐變和地震力產生的縱向水平變形，下部橋墩通常設計為具有較小抗推剛度的雙肢薄壁墩．同時為使主墩墩頂具有相同的變形能力，大跨連續剛構橋的主墩多采用等高設計．但當受到橋位處地形的限制，采用主墩的等高設計可能會造成橋梁施工難度較大、經濟性不合理等，甚至無法實現，而采用不同截面的不等高橋墩會增加施工的難度和費用．因此本文研究具有相同截面的不等高橋墩對橋梁的靜力影響具有一定的實際工程意義．

圖1 某特大橋立面布置圖（單位：m）

1 工程背景

分析以某在建公路特大橋為例，該橋主橋為3跨變截面預應力混凝土連續剛構，橋跨布置為103m＋190m＋103m，見圖1．

橋梁上部主梁截面為單箱單室箱型截面，箱梁頂板寬12m，底板寬6．5m；下部2主墩為高度與截面均相同的雙肢薄壁墩，墩高104m，雙肢薄壁截面肢中心距10．5m，縱橋向單肢寬3．5m，壁厚0．6m，橫橋向單肢寬8．5m，壁厚1．0m，墩身采用C50混凝土．

2 計算與分析

2.1 有限元模型的建立

以原設計橋梁所對應的有限元模型作為墩高比為1．0的計算模型．為考慮不同墩高比對連續剛構的靜力影響，假定橋梁下部某一橋墩的高度固定不變，而將其余墩高取不同的值，形成不同的墩高比．除墩高比為1．0的模型外，其余模型的墩高比擬取值為0．5，0．6，0．7，0．8，0．9．

變高度橋墩的高度根據確定的墩高比計算見表1．

表1 變化橋墩高度表

模型中橫系梁的設置為，對于墩高比分比為0．5，0．6，0．7，0．8，0．9，1．0的模型，分別在橋墩中部設置一道橫系梁．所有模型中橋墩橫系梁的尺寸均相同．

根據文獻［4］中被動位移階段橋墩抗推剛度的計算方法，墩定轉動自由與墩頂受到嚴格約束時，橋墩抗推剛度的計算式為

式中：K為雙肢薄壁墩的抗推剛度；E為墩的彈性模量；I為墩截面的慣性矩；H為橋墩的高度．

由式（1）與式（2）可見，無論主梁對橋墩墩頂轉動約束強弱，在橋墩的截面尺寸相同時，橋墩的抗推剛度與橋墩高度的三次方成反比關系，據此計算變高度橋墩與固定高度橋墩的抗推剛度比見表2．

表2 橋墩抗推剛度比

2.2 計算結果

根據上述建立的具有不同墩高比橋梁的有限元計算模型進行計算．按文獻［11］所述，考慮承載能力極限狀態時，荷載的最不利組合取為：1．2×恒荷載＋1．2×預應力次效應＋1．0×混凝土收縮作用＋1．0×混凝土徐變作用＋1．4×汽車荷載＋0．98×人群荷載＋0．98×溫度作用．分別統計各模型的邊跨正彎矩、中跨跨中彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、結構豎向基頻、主梁支座處水平位移見表3～7．

表3 高墩側組合彎矩

表4 低墩側組合彎矩

表5 跨中組合彎矩

表6 橋梁結構豎向基頻

表7 主梁支座處水平位移（絕對值）

2.3 計算結果分析

根據表3、表4的計算結果，在某一墩高比時，橋梁的邊跨正彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、支座處位移的絕對值在高墩側與低墩側的差值百分比（差值與較小值百分比）見表8．

根據表3～7的計算結果，分別作邊跨正彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、中跨跨中彎矩、結構豎向基頻、主梁支座處水平位移的絕對值與墩高比的關系見圖2～9．

表8 各參數的差值百分比

圖2 邊跨正彎矩－墩高比關系圖

圖3 邊跨根部彎矩－墩高比關系圖

圖4 中跨根部彎矩－墩高比關系圖

圖5 墩頂彎矩－墩高比關系圖

圖6 墩底彎矩－墩高比關系圖

圖7 跨中彎矩－墩高比關系圖

圖8 豎向基頻－墩高比關系圖

圖9 支座處水平位移－墩高比關系圖

根據表3及圖2～6的分析，當橋墩的墩高比從0．5變化至1．0時，高墩側邊跨正彎矩值相應增大，最大變化幅度為10．32%；而高墩側邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩絕對值趨于減小，最大變化幅度分別為0．88%，0．85%，25．52%，30．25%．

根據表4及圖2～6的分析，當橋墩的墩高比從0．5變化至1．0時，低墩側邊跨正彎矩值相應減小，最大變化幅度為1．0%；而低墩側的邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩絕對值則趨于增大，最大變化幅度值分別為0．58%，0．77%，22．76%，34．6% ．

由表5計算結果及圖7的分析表明，橋墩墩高比的變化對橋梁跨中彎矩影響甚?。敇蚨盏亩崭弑葟?．5變化至1．0時，其值變化僅為0．602%．

根據表6計算結果及圖8的分析，可以得出當橋墩的墩高比增大時，橋梁結構的豎向基頻隨之減小，最大減小幅度為8．83%，但變化幅度遠小于橋墩墩高的變化幅度．若根據文獻［11］橋梁沖擊系數的取值方法，當f＜1．5Hz時，沖擊系數均取0．05，則墩高比對本橋車輛荷載沖擊作用的影響可忽略不計．

根據對表7及圖9的分析表明，當墩高比增大時，高墩側支座位移絕對值趨于較小，低墩側的支座位移絕對值則趨于增大．當墩高比由0．5變化至0．8時，同一橋梁兩側支座處位移差值較大．

由表8的分析，在墩高比相同時，高低墩側對應的邊跨正彎矩、邊跨根部彎矩、中跨根部彎矩、墩頂彎矩、墩底彎矩、支座位移絕對值的最大差值百分比分別為11．4%，1．5%，1．6%，64．9%，92．9%，42．3%．且差值隨著墩高比的增大而逐漸減?。?/p>

3 結 論

1）墩高比對橋梁上部結構的靜力影響相對較小，當墩高比由0．5變化至1．0時，除邊跨正彎矩外，其余的影響幅度均小于5%；在墩高比相同時，除邊跨正彎矩外，其余影響幅度均小于5%．

2）墩高比對橋墩本身的靜力影響較大，當墩高比由0．5變化至1．0時，墩頂彎矩最大變化幅度為25．52%，墩底彎矩最大變化幅度為34．6%；在墩高比相同時，2墩墩頂彎矩、墩底彎矩最大差值的百分比分別為64．88%，92．9%．

3）在連續剛構橋梁的設計中，當受地形限制而不能采用等高主墩時，可采用具有相同截面的不等高雙肢薄墩．但上部需在主梁高墩側邊跨加強底板抗彎預應力束，并在主橋兩側設置不同類型的伸縮縫；下部橋墩的配筋應滿足橋梁的受力要求．

［1］王鈞利，賀拴海．大跨連續剛構橋主墩類型及設計尺寸優化［C］／／中國公路學會橋梁與結構分會2006年全國橋梁學術會議論文集，北京：人民交通出版社，2006：161－166．

［2］徐君蘭，顧安邦．連續剛構橋主墩剛度合理性的探討［J］．公路交通科技，2005，22（2）：59－62．

［3］王鈞利，賀拴海．大跨徑連續剛構橋主墩的合理剛度分析［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2006，30（4）：603－606．

［4］張永水，曹淑上．連續剛構橋薄壁墩抗推剛度計算方法研究［J］．中外公路，2006，26（3）：144－147．

［5］張會杰．基于可靠度的連續剛構雙肢薄壁墩優化設計［D］．成都：西南交通大學，2007．

［6］李 杰，徐 岳，鄭凱鋒．連續剛構橋雙薄壁墩參數優化研究［J］．公路，2004（4）：73－78．

［7］譚平榮，王 麒．連續剛構雙片墩尺寸優化設計［J］．公路，2007（8）：17－20．

［8］韓 艷，陳政清，李開言．在ANSYS中實現雙肢薄壁墩橋墩參數優化設計的方法［J］．鐵道科學與工程學報，2005，2（6）：15－18．

［9］董曉梅．高墩大跨徑連續剛構橋墩身穩定性分析及參數優化［D］．西安：長安大學，2007．

［10］周勇軍，賀拴海．連續剛構橋單雙薄壁墩地震響應的對比分析［J］．中外公路，2007，27（3）：114－117．

［11］中交公路規劃設計院．JTG D60－2004公路橋涵設計通用規范［S］．北京：人民交通出版社，2004．