墩高受限時裝配式組合連續剛構橋墩梁固結構造及性能研究

朱虎勇，邵 帥，高燕梅,2，周志祥，2

( 1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地,重慶 400074)

裝配式鋼桁-混凝土(Prefabricated Steel Truss-Concrete，PSTC)組合連續剛構橋是將現有鋼桁-混凝土組合梁橋與傳統預應力混凝土連續剛構橋進行組合而發展成的一種新型橋梁結構[1]。該結構采用工廠預制桁架節段與混凝土橋道板，待鋼桁梁安裝完成后，再根據受力需要對稱安裝預制橋道板，橋面板間通過黏結膠及張拉縱向預應力鋼束形成整體橋道板，預制橋道板全部安裝到位后，焊接在橋道板中預埋的裝配式剪力鍵豎鋼板與鋼桁完成聯結[2-3]。該結構具有自重輕、承載力高、抗震性能好和剛度大等優點外[4-5]，由于大部分結構采用了完全預制裝配式的理念，在很大程度上克服了現澆混凝土收縮徐變不定性對橋梁結構長期可靠性的不利影響，縮短工期，又使預應力全部由預制橋道板承擔，提高了有效預應力度，符合世界橋梁建設發展的總趨勢[6]。與常規的鋼桁-混凝土組合連續梁橋相比，PSTC組合連續剛構橋可提高結構的跨越能力，同時在懸臂拼裝時采用墩梁固結，簡化了施工，減少了大噸位支座的使用，在綜合效益上具有強大的競爭力。

常規連續剛構橋常常采用薄壁柔性墩以滿足墩頂在水平力作用下可以發生較大的水平位移，墩高一般不得小于20 m[7]。但為了擴展PSTC組合連續剛構橋的適用范圍，同時作為特大跨PSTC組合連續剛構橋的前期探索，選取了主跨跨徑為70 m的橋梁作為依托工程，但橋位處橋墩高度受到限制，因此需要尋找一種適應于矮墩的墩梁固結方式。以往也有針對連續剛構墩梁固結形式進行的研究，干海子大橋采用主梁下弦鋼管與橋墩直接焊接的方式完成墩梁固結[8]，北千曲川橋采用箱形鋼主梁貫穿鋼筋混凝土橋墩頂部的方式完成墩梁固結[9]。聶建國也提出了適合于組合剛構橋的墩梁聯接構造[10]，如鋼筋錨固式、錨桿式、鋼柱結合式、局部承壓式、鋼板錨固式、鋼套筒式等。雖然上述各種構造處理均正確有效，但并不能完全滿足這種新型橋梁結構的受力要求。

本文在研究鋼桁梁受力特點的基礎上，結合PSTC組合連續剛構橋施工和運營階段的受力特點，對橋墩高度受限情況下的墩梁聯結合理構造進行研究，并對其進行精細化分析。

1 工程背景

1.1 工程概述

作為特大跨裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋的前期探索，工程為主跨跨徑70 m、跨徑布置為(41+70+41)m的PSTC組合連續剛構橋，見圖1。分左右兩幅，雙幅總寬33.0 m。橋面板為分節段預制的混凝土橋道板，與鋼桁梁通過剪力鍵焊接連接。橋墩采用雙薄壁柱式混凝土墩，設計高度采用1#墩高為8.35 m、2#墩高為9.45 m的矮墩結構，為減小橋墩的橫向抗推剛度，橋墩橫橋向亦設計為柱式，頂部連接為整體，順橋向壁厚取為1.0 m，雙薄壁墩間凈距2.0 m。

圖1 PSTC組合連續剛構橋(單位：mm)

1.2 PSTC組合連續剛構橋施工方法

PSTC組合連續剛構橋施工方法打破了傳統組合結構施工幾何線形難以控制的局限，采用預制裝配式的理念，實現施工快速化的同時減少了高空作業的時間，提高了施工安全性，保證了施工質量。其中主體結構的施工步驟主要有：

1)在已建墩臺上安裝鋼桁，形成鋼桁連續梁橋。

2)以墩頂軸線對稱安裝預制橋道板，安裝一對橋道板，相鄰橋道板結合界面涂刷環氧樹脂，并張拉對應的預應力鋼束，橋道板安裝完成后，預埋焊接PCSS剪力鍵的豎向鋼板，完成橋道板與鋼桁的連接。

3)安裝橋面鋪裝及其他附屬設施，完成墩梁固結施工。

1.3 墩梁連接部位受力優化分析

常規連續剛構梁橋的墩高一般高于20 m，柔性橋墩在力的作用下，墩頂會產生較大水平位移，因此向墩底傳遞的水平力較小。對于墩高受限的連續剛構梁橋，墩身剛度大，墩頂產生的水平位移有限，所以必須采取其他措施減少水平力傳遞。

圖2 墩梁連接節點示意

施工階段中，由于上部結構自重作用時內力自平衡，鋼桁吊裝至墩頂時，在節點A，B處僅傳遞豎向力(見圖2)。在溫度和風荷載作用下，節點A，B主要傳遞水平力。為避免墩底產生較大水平力，墩梁連接處在施工階段釋放水平約束，僅向下安全地傳遞豎向力，此時整體結構受力形式為連續梁體系；在運營階段，橋梁整體結構除受施工階段的力外還受收縮、徐變及長時間溫度和風荷載作用，采取相應措施約束上部結構的水平位移，此時墩梁連接處傳遞水平力及豎向力，結構受力形式為連續剛構體系。

墩底應力主要是由墩底截面軸力和彎矩產生，軸力產生的均勻壓應力對混凝土墩并無威脅，而彎矩作用會在截面一邊產生拉應力，結構受力不利。通過設置部分水平約束的墩梁聯結構造，減小上部結構產生的水平力向下傳遞，可顯著降低墩底彎矩，減小墩底拉應力。

2 矮墩PSTC組合連續剛構橋墩梁聯結構造

為保證橋墩高度受限的情況下，PSTC組合連續剛構橋上部結構水平力和豎向力的傳遞滿足受力和變形的需要，依據不同狀態的受力要求，提出了適應于矮墩的帶抗推擋塊的預埋件式墩梁聯結結構造，見圖3。

圖3 墩梁聯結關鍵構造

2.1 關鍵構造

關鍵構造主要由鋼錨固牛腿和墩頂預埋件2大部分組成。墩頂預埋件是由抗推擋塊、精軋螺紋鋼筋、抗剪栓釘群焊接而成的整體受力構件。

外伸鋼錨固牛腿連接鋼桁架與墩頂預埋件，設置在墩頂下弦桿節點兩側，同時，精軋螺紋鋼筋穿過鋼牛腿錨固，作為錨固的支點，鋼牛腿增大了錨固的受力面；抗推擋塊布置在順橋向的鋼牛腿內側，起到承擔墩頂水平推力和墩頂桁架節段限位的雙重作用；精軋螺紋鋼筋預埋于墩頂，鋼桁安裝時精軋螺紋鋼筋從牛腿預留孔內穿出，完成鋼桁梁與薄壁墩連接，并平衡上部結構不平衡彎矩產生拉拔力；抗剪栓釘群焊接于鋼板上，布置在抗推擋塊下方，通過鋼板與擋塊連接成整體，傳遞和擴散水平方向的剪力。

根據施工階段墩梁連接處的受力性能可知，此階段的上部結構均為連續梁受力體系。墩頂抗推擋塊與外伸鋼牛腿間預留10 mm空隙，使墩頂鋼桁架可自由產生水平滑移，主梁的水平力得以釋放，僅有豎向力傳遞給下部結構。此時上部結構可以在支點處自由發生撓曲轉動。

成橋后完成墩梁固結施工，結構體系轉換為連續剛構橋梁體系。可變作用產生的豎向壓力繼續通過鋼牛腿直接傳遞給下部結構。對每一根豎向精軋螺紋鋼筋施加擰緊扭力，以平衡上部結構產生的拉拔力。而實際由于上部結構向下傳遞的豎向力非常大，錨桿在承載力極限狀態和正常使用極限狀態下均不承擔上拔力，僅作為安全措施，采用精軋螺紋鋼筋即可。上部結構產生的水平力由鋼牛腿傳遞給與之接觸的抗推擋塊，并通過底鋼板將水平力分配到抗剪栓釘群承受，進一步傳遞至下部結構，成橋階段傳力路徑如圖4。

圖4 成橋階段傳力路徑

2.2 墩梁連接部位施工工藝

將精軋螺紋鋼筋、抗推擋塊、抗剪栓釘群安裝在墩頂指定位置，澆筑墩頂混凝土。為了防止精軋螺紋鋼筋抗剪及受拉時將墩頂混凝土拉裂，將墩頂面以下300 mm的精軋螺紋鋼用PVC套管包裹，保證精軋螺紋鋼與墩頂混凝土無黏結，避免其承受水平力作用；同時為了防止下弦桿和墩頂連接的地方積水，下弦桿和墩頂接觸的墩頂標高比兩側高出10 mm。鋼桁梁安裝時，將下弦桿牛腿的預留孔洞對準，使精軋螺紋鋼從其中穿過，再進行部分擰緊錨固，作為抵消上部結構產生拉拔力的安全措施，同時，下弦鋼牛腿與抗推擋塊、抗剪栓釘群預埋構件間均預留10 mm間隙，僅由鋼板傳遞上部結構和薄壁墩間的力，其水平約束可忽略不計，此時墩梁連接處相當于僅傳遞豎向力的固定支座。

完成橋面鋪裝及附屬設施施工后，采用扭力扳手擰緊精軋螺紋鋼筋，并制作相應的鋼墊板塞緊抗推擋塊與下弦鋼牛腿間間隙，牢固焊接使之形成整體受力構件，同時牛腿與墩頂預埋鋼板間亦施行焊接連接，同時對錨固端涂抹環氧樹脂作防腐處理，完成墩梁固結。

3 有限元模型的建立和分析

3.1 全橋模型的建立

以實體工程為例，采用MADIS/Civil有限元軟件建立全橋模型，各桿件均采用梁單元模擬，見圖5。連接關系處理：墩梁連接構造采用彈性連接模擬，在安裝鋼桁單元時激活鋼桁與橋墩間的彈性連接，并將彈性連接僅設置Dx方向剛度值，以此模擬鋼桁放置在橋墩上僅向下傳遞豎向力的狀態。待全橋橋道板及其他附屬設施安裝完成后，再將彈性連接方式更換為剛性連接，成為剛構體系承受后期荷載。

圖5 全橋有限元模型

左側橋墩在成橋初期及成橋后期的應力圖見圖6。可見，在施工完成后，橋墩有至少有1 MPa 的富余壓應力，而在混凝土收縮徐變、溫度變化、汽車制動力等引起的水平力作用下，墩底也未出現拉應力。由分析可知，一期恒載作用下，鋼桁節點內力自平衡，墩梁結合處僅傳遞豎向壓力，使墩身具有壓應力的儲備；在后期外荷載作用下，墩梁連接構造有效地平衡與傳遞上部結構的力，改善了薄壁墩的受力性能。

圖6 橋墩應力分布(單位：MPa)

3.2 墩梁連接局部精細化模型的建立

為了驗證PSTC組合連續剛構橋墩梁連接構造的合理可靠性，建立局部實體有限元模型，以考察荷載作用下墩梁連接構造的局部受力狀態。首先整體模型中利用荷載追蹤，可以求得墩梁連接構造受力最不利工況下的桿件內力，再將此內力加載于局部模型。局部節段模型鋼結構與混凝土均采用實體單元模擬，為簡化模型，取橋墩一半進行建模，橋墩側面采用對稱邊界約束條件，墩底面為固結邊界，圖7。抗剪栓釘群及錨桿采用內嵌于混凝土的約束形式，弦桿采用綁定的約束形式，以此模擬關鍵構造間的連接關系。鋼材間的共同作用采用“硬”接觸模擬。

圖7 局部有限元模型

墩梁固結構造在最不利荷載工況作用下的應力分布見圖8。可見，鋼牛腿與下弦連接處有小部分的應力集中，可能由于構件尺寸突變、網格劃分影響等造成，由于面積較小，對于墩梁連接的性能尚不構成影響；抗推擋塊與抗剪栓釘群受力均勻，無明顯應力集中區域，水平推力通過抗推擋塊傳遞到底部的抗剪栓釘群，在擋塊下方栓釘群應力大于其他區域。

圖8 墩梁固結構造應力分析結果(單位：MPa)

4 結論

PSTC組合連續剛構橋充分結合了鋼和混凝土的材料優勢，顯著地簡化了施工工藝，使各施工環節和質量易控制，同時受力明確，基本解決了混凝土收縮、徐變和開裂引起的撓度過大的問題，結構性能穩定可靠。本文針對PSTC組合連續剛構橋，提出了墩高受限情況下的墩梁固結處理措施，并對其力學行為進行了分析，得出以下結論：

1)利用精軋螺紋鋼筋的張拉錨固和鋼牛腿、抗推擋塊、抗剪栓釘群的整體焊接保證上部結構的傳力，同時改善了橋墩在水平力作用下的受力狀態，解決了矮墩修建連續剛構橋的局限，具有構造簡潔，施工簡便，經濟性強等優點。

2)施工階段的主跨結構為連續梁受力，支點處放置于墩頂預埋鋼板上，僅有豎向力通過鋼牛腿直接傳遞給下部結構。待成橋后施行墩梁固結成為剛構體系承受運營階段荷載作用，水平推力通過抗推擋塊和底部的抗剪栓釘群傳遞到薄壁墩，豎向壓力繼續通過鋼牛腿傳遞給下部結構，精軋螺紋鋼筋平衡意外情況下可能出現的拉拔力。

3)建立實體工程的全橋有限元模型，分析了薄壁橋墩從施工到成橋的力學行為，同時對擋塊式牛腿構造進行精細化建模分析。結果表明，擋塊式牛腿墩梁連接構造可有效改善墩高受限時裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構的墩身受力性能，可供桁式連續剛構橋梁參考。

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