超高墩與高墩參數敏感性對比分析

周葉飛 姚方舟

(深圳市公路交通工程試驗檢測中心，廣東深圳 518049)

0 引言

改革開放以來，橋梁建設的飛速發展，橋梁的結構形式逐漸向高墩柱、大跨度和輕結構的方向轉變，懸臂掛籃施工借助其自身得天獨厚的優勢，越來越受橋梁設計者所追捧和青睞，特別是應用于超高墩大跨度連續剛構橋的施工過程中，從而開創了大跨度混凝土梁橋的新紀元。在我國西部山區，由于需要跨越峽谷，預應力混凝土連續剛構橋在跨度和墩身高度上都有了非常大的提高。近年來，國家大力支持西部地區的基礎設施建設，西部多高山、多河流，山巒地貌的起伏波動很大，為了改善交通，修建在深谷之間的高墩和超高墩大跨徑橋梁也日漸增多，從而給高墩和超高墩大跨度橋梁的發展帶來了新的發展機遇和挑戰。在多年的建造過程中，翻模、爬模和滑模等施工技術的發展及改良，使高墩和超高墩橋梁建設走上了新的舞臺。

高墩的縱橫向風載、高墩日照溫差空間扭曲、高墩的特柔性等方面對主結構的影響的復雜問題沒有現成的資料可遵循，有待探索、研究，為了確保薄壁高墩連續剛構橋的安全使用，高墩的偏位是施工控制的關鍵。合理的對比高墩與超高墩參數敏感性分析，有利于將來施工中墩高處于該范圍內的參照。

本章結合赫章特大橋為工程背景，主要考慮溫度荷載、風荷載以及混凝土收縮徐變對薄壁超高墩連續剛構橋偏位的計算方法、內容和結果進行了探討。

1 工程概況

文章以畢節至威寧高速公路第六合同段的赫章特大橋為背景，該橋為畢威線的主要控制性工程。主要設計技術標準為雙向四車道高速公路，時速80 km/h，荷載等級為公路Ⅰ級，設計基準風速24．7 m/s。赫章特大橋路線按整幅設計，主橋平面位于直線上，縱面位于縱坡為1．0%的直線坡上。本橋主要是為跨越赫章后河而設，所處位置地形復雜，溝谷深切。大橋全長552 m，分為左右兩幅，該橋上部結構采用(96+2×180+96)m預應力箱型梁連續剛構橋，橋面寬度24．5 m，主墩墩身高195 m，為同類型橋梁中之最，橋型總體布置見圖1。

圖1 赫章特大橋主橋布置圖（單位：cm）

2 采用有限元軟件建立結構模型分析

通過建立大橋整體模型和主墩實體模型，采用六個工況來分析各因素對施工控制的影響。為了便于與赫章特大橋的超高墩做對比，高墩的高度采用100 m。

由于赫章特大橋混凝土連續剛構橋主墩195 m為世界同類型橋之最，為了確保橋梁結構的安全，本文采用BDCMS軟件對全橋建立了平面桿系模型計算，將整體橋梁結構劃分成228個節點、237個單元，主梁結構材料為C55混凝土，采用梁單元模擬主梁與主墩，帶剛臂的單元模擬合龍段的剛性支撐，索單元模擬預應力筋。

程序對預應力的模擬:先輸入預應力束的導線點，賦予其相應的參數，如張拉控制應力和預應力筋截面面積等，根據相關規范，參數分析應考慮預應力損失，計算出預應力鋼束在各個位置處的有效預應力值。因預應力鋼束以索單元形式布置在整體結構體系中，與梁單元共同參與受力，所以在程序計算過程中會自動考慮混凝土收縮徐變損失和彈性壓縮損失，因此，預應力損失計算僅考慮摩阻損失、鋼絲松馳損失和錨固回縮損失。

采用有限元軟件ANSYS10．0建立主墩的有限元模型，根據主墩的結構特點，受力形式和布載情況進行離散，結構共分560個節點，主墩材料特性表如表1所示。

表1 主墩材料特性一覽表

計算模型主要考慮下部結構，墩底采用全部固結約束，采用實體單元Soild45作為混凝土截面。計算的有限元模型見圖2。

圖2 赫章特大橋主墩有限元模型圖

由于當地晝夜溫差特別大，且該特大橋跨越峽谷建造，所以荷載因素主要考慮當地的日照溫度和風速。

工況一:實測溫度荷載作用下，195 m超高墩與100 m高墩的位移對比情況;

工況二:設計極端最高溫度荷載作用下，195 m超高墩與100 m高墩的位移對比情況;

工況三:在墩頂，于橋中心線對稱的四個角點位置設置棱鏡，通過全站儀在橫橋向對主墩進行24 h的連續觀測，測量時間從下午14點到晚上23點;

工況四:設計最大風速為28．1 m/s，通過計算轉換成風荷載為0．43 kN/m，在此荷載作用下，195 m超高墩與100 m高墩的位移對比情況;

工況五:通過對主梁全截面埋設溫度傳感器，分析195 m超高墩和100 m高墩，主梁合龍后在溫度影響下的位移對比情況;

工況六:合龍后考慮收縮徐變五年和不考慮收縮徐變作用下，分析對比195 m超高墩主梁的位移情況;

其中，主梁截面埋設溫度傳感器的布置圖如圖3，圖4所示。

圖3 威寧岸溫度傳感器布置圖

圖4 畢節岸溫度傳感器布置圖

合龍時溫度傳感器測試數據見表2。

表2 赫章特大橋合龍時各測點的實測溫度值 ℃

3 計算結果分析

通過計算分析可得到，各個工況作用下的位移結果，如圖5～圖10所示。

由工況一的計算結果可知，高墩100 m的最大偏位僅為1．73 mm，而超高墩195 m的最大偏位達到7．38 mm，且位移呈非線性趨勢增長。

圖5 工況一

圖6 工況二

圖7 工況三

圖8 工況四

圖9 工況五

圖10 工況六

由工況二的計算結果可知，100 m高墩的最大偏位為7 mm，而195 m超高墩的最大偏位達到26 mm。

工況三，由圖7可以得知，195 m超高墩橫橋向的實測最大位移值接近7 mm，和工況一理論計算荷載作用下的最大位移值比較接近。

由工況四的計算結果可知，100 m高墩的最大偏位為0．1 mm，而195 m超高墩的最大偏位也只有近0．7 mm。

工況五表明，合龍后溫度荷載作用下，195 m超高墩主梁的位移比100 m高墩主梁的位移大，在跨中位置位移值相差2 mm。

工況六表明，考慮混凝土收縮徐變五年作用下，主梁的(什么位置)累積位移與不考慮混凝土收縮徐變作用下相差20 mm。

4 結語

通過對超高墩與高墩在相同荷載作用下，分工況進行分析，同時也對超高墩采用全站儀監測，以保障足夠的實測數據，從而進行了逐一詳細剖析，得出如下結論:1)以薄壁超高墩連續剛構橋為研究對象，結合赫章特大橋的工程實際，利用有限元的計算方法對超高墩在實測溫度、極限最高溫度以及極限最大風速工況下進行了詳細的分析，并結合實測位移值與實測溫度作用下的理論位移值對比，得出赫章特大橋受荷載作用下偏位滿足要求，可用于施工控制，也說明溫度對超高墩偏位影響較大，且較風荷載明顯。2)合龍前后，相同條件下墩身越高，受荷載作用下的敏感程度越明顯，變形越明顯，且呈非線性趨勢增加，印證了薄壁高墩的柔性桿理論體系。3)通過將設計最大風速換算成荷載加入有限元模型中，計算得出風荷載對超高墩偏位的影響非常小，幾乎可以忽略。4)混凝土收縮徐變對主梁的線形有一定的影響，隨著時間的增加，其作用效應越明顯，在施工控制中影響越突出，其產生的主梁累積位移呈非線性增長趨勢。

［1］ 汪維安．高墩大跨連續剛構橋的收縮徐變效應分析［D］．長沙:長沙理工大學碩士學位論文，2005．

［2］ 陳常松，姚方舟，袁 明．超高墩大跨度連續剛構橋主梁施工控制關鍵技術研究［D］．長沙:長沙理工大學碩士學位論文，2005．

［3］ 涂光亞，顏東煌，田仲初，等．溫度影響線膨脹系數的識別方法［J］．中外公路，2002，22(6):37-38．

［4］ 汪 劍，方 志．大跨預應力混凝土箱梁橋收縮徐變效應測試與分析［J］．土木工程學報，2008，41(1):71-81．

［5］ 李衛華．大跨徑連續剛構橋梁施工控制仿真計算及抗風分析［D］．武漢:武漢理工大學碩士學位論文，2005．

［6］ Sivakumaran KS．Analysis of Concrete Structures Subjected to Sustained Temperature Gradients［J］．Can Journal Civil Eng［J］．1985，11(3):404-410．