預制吊裝結構橋墩受力性能研究

彭亞軍，馬玉全，許佳波

(廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司)

1 工程簡介

以廣東省連州(湘粵界)至懷集高速公路項目某大橋一聯4×40 m簡支轉連續剛構T梁為例。分析采用如下圖所示的四種不同墩型截面，其橋墩的截面特性表如表1所示。

圖1 不同墩型橫斷面圖

表1 四種墩型的截面特性表

上部結構橋面寬為1 360 cm，采用6片預制T梁，梁間距為230 cm，中梁預制寬為175 cm，邊梁預制寬為187.5 cm。濕接縫寬度為55 cm。

采用MidasCivil2010進行結構整體計算。根據T梁構造尺寸建立上部結構，對應四種墩型均采用50 m墩高、30 m樁長，考慮樁基土彈簧的作用，m值取1.5e4 kN/m4。

計算荷載參數:考慮自重、汽車荷載、風荷載(分極限風荷載及組合風荷載)、溫度作用(整體溫差及梯度溫差)、施工架梁荷載。

2 橋墩靜力及整體穩定分析對比

2.1 施工階段靜力及整體穩定分析對比

施工階段考慮自重、極限風荷載及施工荷載組合作用。不同墩型的墩底截面內力及應力對比如下表2及表3所示。

表2 施工階段不同墩型墩底截面內力對比

此四種墩型架梁施工階段第一階屈曲失穩模態均為縱傾，其穩定系數如下表4所示。

表3 施工階段不同墩型墩底截面應力對比

表4 施工階段不同墩型穩定分析對比

由上表可以看出，空心薄壁墩的一階彈性穩定系數最大，雙薄壁空心墩次之，雙柱式墩和工字形墩最小，且相差不大。

2.2 成橋階段整體穩定分析對比

體系由簡支轉成連續剛構后，各種墩型全橋整體穩定系數如下表5所示。

表5 成橋階段不同墩型穩定分析對比

由上表計算結果可見，成橋階段由于各預制梁段連接成整體，一階彈性屈曲系數均有較大提高，約為施工階段的2倍左右。其中空心薄壁墩由于成橋后縱橋向的剛度增大，一階失穩模態已由縱傾轉變成側傾，表明空心薄壁墩成橋后全橋縱向整體剛度大于橫橋向整體剛度。

2.3 運營階段靜力及整體穩定分析對比

運營階段考慮一、二期恒載、活載(包括制動力)、組合風荷載、梁體溫度作用(整體升降溫及梯度溫差)、橋墩梯度溫度。不同墩型的墩底截面內力及應力對比如下表6及表7所示。

表6 運營階段不同墩型墩底截面內力對比

續表6

表7 運營階段不同墩型墩底截面應力對比

此四種墩型運營階段的穩定系數如下表8所示。

表8 運營階段不同墩型穩定分析對比

對比成橋階段與運營階段彈性穩定分析結果可知，運營階段考慮了各種不利荷載工況后，彈性穩定系數并沒有太大的變化。說明運營時的各種工況對彈性穩定影響不大，結構主要由主梁的構造、上下部之間的連接及下部墩型決定。

3 幾何非線性穩定分析

對于第一類線彈性穩定分析的理論，在特征值分析中沒有辦法考慮結構的大變形效應。對于高墩結構，在豎向重力、側向風載、以及施工荷載的共同作用下，墩頂偏位可能較大，那么P-△效應就不可忽視。這樣，用第一類穩定的線彈性理論來分析墩的穩定性，對結構的安全性能的評估，顯然沒有足夠的說服力。因此，考慮幾何非線性的穩定分析是非常有必要的。本節針對穩定系數最不利的架梁施工階段，考慮幾何非線性的影響進行非線性穩定分析，對比線彈性穩定分析的結果評價幾何非線性對結構穩定性影響的大小。

圖2為各種墩型考慮幾何非線性以后的荷載—位移曲線，穩定荷載系數取圖中曲線曲率明顯變小的點的縱坐標值。

圖2 各種墩型考慮幾何非線性后的荷載—位移曲線

線彈性以及考慮幾何非線性以后的穩定系數對比見下表。

表9 施工階段不同墩型穩定分析對比

由上表可以看出，空心薄壁墩的一階彈性穩定系數最大，雙薄壁空心墩次之，雙柱式墩和工字形墩最小，且相差不大。同時可以看出，在考慮了幾何非線性以后的穩定系數約為彈性穩定系數的70% ～80%，皆有不同程度的降低。

4 薄壁墩的局部穩定分析

在midas civil里根據薄壁空心墩壁厚中心線建立板單元軸線，壁厚采用50 cm。薄壁墩的上下部分別采用剛性連接與蓋梁和樁連接。以下所有的局部屈曲分析均是在以下荷載工況組合下進行:一、二期恒載+最不利靜活載+制動力+溫度作用(整體溫差及梯度溫差)+組合風荷載。

為了對比空心薄壁墩壁厚對局部屈曲的影響，選取壁厚為30 cm、40 cm、50 cm，并且在沒有設置橫隔板的情況下分別計算，分析結果如下表所示。

表10 空心薄壁墩壁厚對局部屈曲的影響對比

在選定壁厚為50 cm的條件下，考慮不設置橫隔板、設置一道橫隔板、設置兩道橫隔板;隔板的厚度分別為30 cm、50 cm的條件下局部屈曲分析，對比結果如下表所示。

表11 空心薄壁橫隔板道數對局部屈曲的影響對比

由不同壁厚的局部屈曲分析對比表中可以看出，壁厚的不同對局部屈曲系數的影響很大。在壁厚由30 cm加厚到40 cm、40 cm加厚到50 cm的條件下，局部屈曲系數大約是原來的2倍。

由橫隔板設置道數及隔板厚度不同的局部屈曲分析對比表中可以看出，隔板道數的設置、隔板厚度的變化基本上不影響局部屈曲系數。這是因為局部失穩發生位置較低，故設置少量的橫隔板對橋墩局部穩定系數影響很小。

由此可見，薄壁空心墩在壁厚為50 cm、不設橫隔板的情況下局部屈曲系數為259.5，局部屈曲一般不容易出現。由于橫隔板道數及厚度對局部屈曲系數影響不大，僅需按施工和構造上的要求設置橫隔板即可，一般每30 m左右設置一道。

5 結論

根據以上四種墩形施工階段及成橋運營階段靜力分析及穩定分析結果綜合比較可以得出如下結論。

(1)施工架梁階段橋墩受力最為不利，控制橋墩設計。在混凝土材料用量基本相同的情況下，薄壁墩相比其他三種墩型結構抗彎剛度大，橋梁整體剛度大，第一類穩定及第二類穩定安全系數高，是預裝吊裝高墩結構最合理的墩型。

(2)在考慮了幾何非線性以后的穩定系數約為彈性穩定系數的70% ～80%，各種墩型皆有不同程度的降低。

(3)薄壁墩設置隔板的道數、隔板的厚度對局部穩定影響很小;壁厚影響相對較為顯著。

(4)薄壁墩墩身的寬厚比超過1/13時，局部穩定安全系數遠高于整體穩定安全系數，局部穩定不控制設計，沒有必要在薄壁腔內設置很多橫板，造成施工不必要的麻煩。

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［1］公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范(JTJD62-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］公路橋涵設計通用規范(JTJD60-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］陳強.先簡支后連續結構體系研究［D］.浙江大學博士學位論文，2002.

［4］于學軍，詹建輝，彭永利.簡支轉預應力結構連續T形梁橋設計計算［J］.世界橋梁，2003.