鋼管混凝土橋墩在長聯低墩連續剛構橋中的應用研究

周淑芬，郝憲武，李子青，匡虹橋

(1．長安大學 公路學院，陜西 西安710064;2．西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安710068)

0 引言

橋梁跨越山區等地形、地貌、地質條件較復雜的地域時，多跨連續剛構橋是采用較多的橋型方案之一，它是利用主墩的柔性來適應橋的縱向變形，特別適合于大跨高墩連續梁橋中．近年來，連續剛構正朝著大跨長聯高墩方向發展［1］，中間橋墩越來越高，兩邊橋墩較低，墩高相差越來越大．在溫度應力、混凝土收縮徐變、汽車制動力、水平地震力等荷載作用下，遠離水平位移零點(一般在每聯中部)的邊墩墩頂內力和位移要遠遠大于中墩，對邊墩受力極為不利． 連續剛構的聯長越長，邊墩高度越低，上述問題越嚴重，在各墩墩高相差不大的長聯低墩連續剛構橋中，此類問題同樣存在．目前多采用剛構-連續組合體系來解決此類橋梁邊墩的受力問題［2-3］． 但剛構-連續組合體系在連續墩頂處仍需設置造價高的大噸位大位移支座，今后還存在支座養護和更換問題;另外，連續梁部分在施工時需采取臨時固結措施，相應增加了解除臨時固結、安裝支座等多道工序，體系轉換次數增加，導致全橋應力狀態和線形相應不斷發生變化，且施工階段合攏次序的選擇對獲得最佳成橋狀態至關重要．

鋼管混凝土，是將混凝土填入薄壁鋼管內而形成的一種組合結構材料，它將鋼材和混凝土兩種材料結合，相互彌補對方的缺點，充分發揮各自的優點，具有承載力高、塑性和韌性好、截面尺寸小、施工方便、經濟效益好等優點［4-5］． 筆者提出將鋼管混凝土結構用于長聯低墩連續剛構橋的橋墩，以其較小的抗推剛度來適應上部結構的水平位移和減小墩身內力．目前，鋼管混凝土結構多用于拱橋拱肋［6］，用于橋墩的實例較少［7-10］．因此，有必要研究這種新型結構方案，這對今后鋼管混凝土橋墩的應用推廣以及為類似的工程實踐提供指導，具有很好的實際意義．

1 計算模型簡介

以渭河大橋八孔連續剛構為例，該橋跨徑布置為(56 +6 ×90 +56)m，各墩高度均為30 m，上部結構箱梁底寬14 m．模型一和模型二的橋墩分別采用鋼筋混凝土雙肢薄壁墩和鋼管混凝土橋墩，橋墩截面尺寸參數示意如圖1 所示． 圖1(a)中，橋墩橫橋向寬度a 與上部結構箱梁底板同寬，順橋向單肢寬度b 應滿足水平位移的要求，根據溫度變化、混凝土收縮、徐變引起墩頂順橋向位移最大者設計，雙薄壁墩兩壁中心距H 應根據能抵抗施工中出現的最大不平衡彎矩確定［11］．為使兩個模型具有可比性，圖1(b)中的順橋向兩肢中心距與圖1(a)相同，橫橋向兩肢最外邊緣的距離a與箱梁底板同寬，兩個模型橋墩截面尺寸采用滿足承載力要求的最小尺寸，具體參數取值見表1．利用有限元軟件Midas civil 2011 建立全橋梁單元模型，如圖2 所示．

圖1 橋墩截面尺寸參數示意Fig．1 Size parameter of pier section

表1 橋墩參數取值Tab．1 Pier parameters

圖2 全橋有限元模型Fig．2 Finite element model of the full bridge

2 兩種橋墩的比較

2．1 內力的比較

連續剛構橋為墩梁固結，內力按墩梁相對剛度比進行分配，橋墩的抗推剛度直接影響到橋墩所承受的彎矩，并對上部主梁墩頂負彎矩、跨中正彎矩以及邊墩最大正彎矩產生間接影響． 表2 列出了兩個模型在最不利荷載組合下幾個關鍵點位置的彎矩值，通過比較表中數據，可以得出以下結論:

(1)模型一邊墩墩頂彎矩遠遠大于模型二，前者約為后者的12 倍，說明鋼管混凝土橋墩比相同承載力下鋼筋混凝土橋墩的抗推剛度小．

(2)連續剛構上部主梁墩頂負彎矩的增大(或減小)會對邊跨和跨中最大正彎矩起卸載(或加載)作用，模型二的邊跨最大正彎矩大于模型一，而跨中正彎矩小于模型一．

(3)通常連續剛構控制彎矩多為墩頂負彎矩，模型二主梁墩頂最大負彎矩比模型一減小10．4%，因而從減小墩頂負彎矩，使結構受力更加均衡、減少材料用量、降低工程造價的角度出發，宜選擇墩身剛度更小的鋼管混凝土橋墩．

2．2 位移的比較

兩種橋墩在各單項荷載作用下的最大水平位移發生在邊墩墩頂，計算結果列于表3 中．表中數據表明:在任一單項荷載作用下，模型二墩頂最大水平位移都要大于模型一，最大的一項是在徐變荷載作用下，模型二比模型一大了35 mm，模型二墩頂最大和最小水平位移分別為234．94 mm 和100．25 mm，比模型一墩頂最大和最小水平位移191．59 mm 和64．13 mm 分別增大了43．35 mm和36．12 mm．說明與鋼筋混凝土橋墩相比，鋼管混凝土橋墩以更小的抗推剛度獲得了更大的墩頂水平位移，更能適應上部結構的變形．

2．3 材料用量的比較

鋼管混凝土橋墩以承載力高、截面尺寸小來獲得更小的抗推剛度以適應上部結構的變形，因此在材料用量上比雙肢薄壁墩更少，表4 為兩種橋墩在材料用量和費用上的比較表． 表中數據說明:鋼管混凝土橋墩在混凝土和鋼材用量上都遠遠小于混凝土雙肢薄壁墩，同等條件下能節省材料費用191 萬元，約占混凝土雙薄壁墩材料費用的88%，從而大大降低了工程造價．

表2 關鍵點位置內力比較Tab．2 Comparison of internal force at the key points

表3 最大水平位移比較Tab．3 Comparison of the maximum horizontal displacement

表4 一個橋墩材料用量和費用比較Tab．4 Comparison of a pier material consumption and cost

3 鋼管混凝土橋墩墩高適用范圍

墩身高度會影響橋墩的抗推剛度，從而影響墩頂水平位移的大小．將墩高分別取10 m、20 m、30 m 和40 m，計算出兩種橋墩形式下的墩頂最大水平位移值，據此繪出墩高與墩頂最大水平位移關系的插值曲線，如圖3 所示．

圖3 墩高與墩頂最大水平位移關系Fig．3 Pier height vs． the maximum horizontal displacement at the pier top

從圖3 可以看出:

(1)鋼管混凝土橋墩的墩頂最大水平位移受墩高的影響較小，當墩高從10m 增大到40m 時，墩頂最大水平位移值從61．16 mm 增大到64．93 mm，才增加了3．77 mm;鋼筋混凝土橋墩的墩頂最大水平位移隨墩高的變化較大，墩頂最大水平位移值從34．27 mm(墩高10 m)增大到63． 87 mm(墩高40 m)，增大了近一倍;

(2)當墩高為10 m 時，兩種橋墩的墩頂最大水平位移值相差較大;隨著墩高的不斷加大，兩者差值不斷減小;當墩高達到40 m 時，兩種橋墩的最大水平位移差值僅為1．06 mm，基本接近．可以認為在本模型條件下，當墩高小于30 m 時，鋼管混凝土橋墩的優勢才能充分發揮出來．

4 結論

在相同承載力的條件下，由于鋼管混凝土橋墩的截面尺寸小于鋼筋混凝土橋墩，從而獲得更小的抗推剛度，更能適應上部結構在溫度、收縮、徐變等荷載作用下產生的水平位移，同時能減小墩身彎矩、主梁墩頂最大負彎矩和跨中正彎矩，使結構受力更加均衡，從而減少材料用量、降低工程造價，因此鋼管混凝土橋墩可以作為長聯低墩連續剛構橋中合理的橋墩形式予以推廣．另外，計算結果表明，當墩高較低時，鋼管混凝土橋墩的優勢才能充分發揮出來，在筆者計算模型條件下，鋼管混凝土橋墩的合理墩高適用范圍為墩高小于30 m．

［1］ 周軍生，樓莊鴻． 大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的現狀和發展趨勢［J］． 中國公路學報，2000，13(1):31 -37．

［2］ 王文濤．剛構-連續組合梁橋［M］．北京:人民交通出版社，1997．

［3］ 陳應陶．大跨度剛構-連續梁組合體系研究與分析［D］．成都:西南交通大學，2005．

［4］ 鐘善桐．鋼管混凝土結構［M］．3 版．北京:清華大學出版社，2003．

［5］ 韓林海，楊有福．現代鋼管混凝土結構技術［M］．2版．北京:中國建筑工業出版社，2007．

［6］ 陳寶春．鋼管混凝土拱橋［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［7］ 臧華，涂永明． 鋼管混凝土在橋梁工程中的應用與前景［J］．中國市政工程，2010，147(4):34 -36．

［8］ 臧華，劉釗．鋼管混凝土橋墩的應用與研究［J］． 中國工程科學，2007，9(7):71 -75．

［9］ 馬建鋒，惠穎． 鋼管混凝土高橋墩的極限承載力分析［J］．鋼結構，2009，24(10):24 -27．

［10］范曉江．淺談鋼管混凝土在柱式橋墩中的應用［J］．山西建筑，2007，33(33):321 -322．

［11］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．