空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)的安全性計(jì)算

周潤(rùn)翔

(杭州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

1 概 述

對(duì)于位于山間河谷地區(qū)，地形起伏大，同時(shí)橋墩高度較大的橋梁。本文設(shè)定墩高47.8 m(含蓋梁高度)，采用采用空心薄壁橋墩;橋梁上部結(jié)構(gòu)采用20m 鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁(平面位于60 m 半徑曲線上)，橋?qū)? m。計(jì)算對(duì)最高橋墩進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)算其安全性。

橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路－Ⅰ級(jí)，區(qū)域內(nèi)場(chǎng)地穩(wěn)定，地震運(yùn)動(dòng)少，震級(jí)弱，計(jì)算中不考慮地震作用的影響，僅從構(gòu)造上設(shè)防。

本次計(jì)算根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 －2004)及《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62 －2004)中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 橋墩計(jì)算

2.1 橋墩受力分析

橋墩的計(jì)算考慮豎向、縱橋向、橫橋向的受力情況，豎向荷載計(jì)入永久荷載和汽車(chē)荷載的作用;縱橋向計(jì)算考慮汽車(chē)制動(dòng)力、溫差變化、混凝土收縮、徐變及縱橋向風(fēng)荷載作用;橫橋向計(jì)算考慮汽車(chē)離心力(小半徑曲線內(nèi))及橫向風(fēng)荷載作用。橋墩構(gòu)造圖如圖1 所示。

圖1 橋墩構(gòu)造圖

(1)豎向受力

橋墩豎向受力來(lái)自上部結(jié)構(gòu)自重、汽車(chē)荷載及橋墩自重等。計(jì)算考慮的橋墩豎向荷載。

上部恒載3 650 kN，橋墩自重1 2410 kN，汽車(chē)荷載最小0 kN，最大950 kN。

(2)縱向受力

橋墩縱向受力主要來(lái)自汽車(chē)制動(dòng)力、溫度變化及上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮、徐變以及縱向風(fēng)荷載等幾個(gè)方面。

①汽車(chē)制動(dòng)力效應(yīng)計(jì)算

本橋行車(chē)道寬7 m，單向雙車(chē)道行車(chē)，汽車(chē)制動(dòng)力分配時(shí)偏安全的不考慮過(guò)渡墩承擔(dān)制動(dòng)力，按連續(xù)墩個(gè)數(shù)平均分配，制動(dòng)著力點(diǎn)移至支座底座面。汽車(chē)制動(dòng)力效應(yīng)計(jì)算:

橋墩高度47. 8 m，墩頂水平力110 kN，墩底彎矩5 258 kN·m。

②溫度變化效應(yīng)計(jì)算

溫度變化引起的上部結(jié)構(gòu)縱向變形在墩頂產(chǎn)生水平力，按降溫20 ℃考慮。溫度變化效應(yīng)計(jì)算:墩頂位移4.0 mm，墩頂水平力25.9 kN，墩底彎矩1 238 kN·m。

③混凝土收縮、徐變效應(yīng)計(jì)算

混凝土收縮、徐變引起的上部結(jié)構(gòu)縱向變形在墩頂產(chǎn)生水平力，其作用效應(yīng)計(jì)算。

墩頂位移6. 0 mm，墩頂水平力38. 8 kN，墩底彎矩1 855 kN·m。

④縱向風(fēng)荷載效應(yīng)計(jì)算

風(fēng)荷載根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.7 條規(guī)定計(jì)算。

本橋基本風(fēng)速參照取V10=25.6 m/s，橋墩縱向風(fēng)荷載作用效應(yīng)計(jì)算。

墩頂縱橋向風(fēng)壓Wd=1.24 kPa，墩身風(fēng)荷載9.00 kN/m，墩底縱橋向風(fēng)壓Wd=0.76 kPa，墩身風(fēng)荷載5.52 kN/m;縱向風(fēng)荷載墩底彎矩8 955 kN·m。

注:計(jì)算順橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)按風(fēng)壓的70%計(jì)入。

(3)橫向受力

橋墩橫向計(jì)算中不考慮地震作用的影響，主要考慮風(fēng)荷載作用。橫橋向風(fēng)荷載分兩部分考慮，一部分為風(fēng)壓作用在上部結(jié)構(gòu)上，然后經(jīng)支座傳遞至橋墩頂，該部分風(fēng)荷載按集中力考慮，其大小為風(fēng)壓在一孔上部結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的水平力;另一部分為風(fēng)壓直接作用在墩身上，按線形分布荷載考慮。

①橫向風(fēng)荷載計(jì)算

墩 頂 橫 橋 向 風(fēng) 壓 Wd= 1. 24 kPa，墩 身 風(fēng) 荷 載3.48 kN/m，上部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載57.2 kN;墩底橫橋向風(fēng)壓Wd=0.76 kPa，墩身風(fēng)荷載2.13 kN·m;縱向風(fēng)荷載墩底彎矩6 196 kN·m。

②汽車(chē)荷載離心力計(jì)算

汽車(chē)荷載離心力根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》4.3.3條規(guī)定計(jì)算。橋墩位于60 m 半徑曲線上，匝道設(shè)計(jì)速度按40 km/h。

汽車(chē)荷載離心力標(biāo)準(zhǔn)值為550 ×2 ×0.21 =231 kN

由離心力產(chǎn)生的墩底截面橫向彎矩為231 ×47.8 =11 042 kN·m。

2.2 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

橋墩承載能力極限狀態(tài)下控制截面為墩底截面，在橋梁使用過(guò)程中考慮到縱向風(fēng)荷載和橫向風(fēng)荷載不可能同時(shí)出現(xiàn)，因此橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算取以下兩種工況進(jìn)行:(1)永久作用+溫差+收縮徐變+制動(dòng)力+離心力+縱向風(fēng)效應(yīng);(2)永久作用+溫差+收縮徐變+制動(dòng)力+離心力+橫向風(fēng)效應(yīng)。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)離心力與制動(dòng)力同時(shí)參與組合時(shí)，制動(dòng)力設(shè)計(jì)值按70%取用。結(jié)構(gòu)自重對(duì)橋墩承載力有利，其分項(xiàng)系數(shù)取1.0，收縮徐變分項(xiàng)系數(shù)取1.0，汽車(chē)制動(dòng)力、離心力及溫差分項(xiàng)系數(shù)取1.4，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.1，風(fēng)荷載組合系數(shù)取0.8。各驗(yàn)算工況墩底截面設(shè)計(jì)組合內(nèi)力及截面抗力分別見(jiàn)表1。

表1 各驗(yàn)算工況墩底截面設(shè)計(jì)組合

計(jì)算表明，橋墩的墩底截面設(shè)計(jì)內(nèi)力組合作用下，其設(shè)計(jì)軸力值均小于相應(yīng)截面抗力值，墩底截面強(qiáng)度滿足承載力受力要求。

2.3 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

在正常使用極限狀態(tài)下，裂縫驗(yàn)算最小軸力工況下橋墩底面裂縫寬度，橋墩橫向偏心距相對(duì)較小，不控制裂縫，僅驗(yàn)算縱橋向荷載產(chǎn)生的裂縫寬度。按作用短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)影響對(duì)墩底截面進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，組合內(nèi)力及裂縫寬度見(jiàn)表2。

表2 組合內(nèi)力及裂縫寬度

計(jì)算表明，規(guī)范要求Ⅰ類環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫限值為0. 20 mm，縱橋向荷載產(chǎn)生的最大裂縫寬度為0.179 mm，小于規(guī)范限值，墩身裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

經(jīng)計(jì)算，采用空心薄壁墩對(duì)于高墩的受力狀態(tài)很好，在承載能力極限狀態(tài)下橋墩承載力滿足規(guī)范要求;在正常使用極限狀態(tài)下橋墩裂縫寬度滿足規(guī)范要求。橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。

［1］公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTG D60 －2004)［S］.

［2］公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D62 －2004)［S］.