異型橋墩計算分析

張樹清

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

1 工程概況

徐村秋浦河特大橋平面位于K10+630～K10+636.239（緩和曲線）橫坡由-1.79%，變化到-2.0%，其余范圍內(nèi)（圓曲線半徑為1 350 m）橫坡為單向坡2.0%。主橋采用左右幅不對稱系桿拱，系桿拱橋系梁、橫梁及下部橋墩均按照單向坡2.0%設(shè)計，橫坡變化段橫橋向高差通過橋面鋪裝（現(xiàn)澆防水混凝土）調(diào)整。系桿拱橋采用斜橋正做，護(hù)欄線形與路線線形變化保持一致。系桿（縱梁）采用直線梁，橫梁也采用直線梁，由于系桿拱橋采用以直包曲，導(dǎo)致路線設(shè)計中心線與系桿拱橋中心線不在一條直線上，路線中心線與橋梁中心線存在一定夾角（夾角不斷變化），梁端線與路線法線方向存在一定夾角。下部結(jié)構(gòu)采用2.5 m×2.5 m矩形橋墩接單懸臂蓋梁及2.5 m×2.5 m矩形橋墩接雙懸臂蓋梁；雙懸臂蓋梁端部尺寸均為0.95 m×2.2 m，根部尺寸均為1.8 m×2.2 m，懸臂蓋梁內(nèi)設(shè)置桿內(nèi)設(shè)有2束Фs15.2-6鋼絞線，每束錨下張拉應(yīng)力為1395 MPa；矩形墩柱下設(shè)承臺，承臺高3.0 m，承臺接群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為1.6 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基按端承樁設(shè)計。詳見圖1～圖3。

2 材料參數(shù)

圖1 橋型總體布置圖（單位：m）

圖2 橋墩構(gòu)造圖（單位：m）

圖3 支座平面布置圖（單位：m）

橋墩采用C40混凝土，彈性模量Ec=3.25×104MPa，泊松比vc=0.2，溫度線膨脹系數(shù)為0.000 01，軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8 MPa、抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.4 MPa，軸心抗壓強度設(shè)計值fcd=18.4 MPa，抗拉強度設(shè)計ftd=1.65 MPa[1]。

3 計算荷載

系桿拱采用的獨柱式橋墩雙懸臂蓋梁，須對其靜力強度進(jìn)行驗算，驗算時要根據(jù)當(dāng)?shù)剀嚵髁繉嶋H情況，充分考慮活載偏載效應(yīng)，并采用空間模型進(jìn)行驗算。大跨度橋梁過渡墩，由于主引橋支反力差異較大，且左右幅錯孔不對稱，兩側(cè)支座不能對稱布置于橋墩中心線兩側(cè)。支座在過渡墩墩頂布置必須考慮橋墩偏心影響（見圖4）：

（1）墩頂應(yīng)能布置雙排支座，滿足支座墊石空間要求；

（2）橋梁伸縮縫中心線距橋墩中心線距離即為橋墩偏心距；

（3）橋墩偏心應(yīng)滿足如下要求：

顯然支反力F1小的一側(cè)力臂X1較大，支反力F2大的一側(cè)力臂X2較小。

圖4 過渡墩受力示意圖

為保持兩側(cè)彎矩平衡，就需把橋墩中心往支反力大的一側(cè)偏移，由于伸縮縫中心線（里程樁號）不會改變，橋墩中心線與伸縮縫中心線產(chǎn)生一個距離X3，這個距離就是橋墩偏心距。往往有些大跨橋梁過渡墩未考慮偏心，或者偏心距設(shè)置不當(dāng)，造成橋墩承受較大彎矩，久而久之橋墩開裂破壞。系桿拱全橋整體模型采用MIDAS有限元軟件計算，荷載選取由整體計算得出的最大支反力。

3.1 蓋梁斜截面計算

取截面剪力2 700 kN作為控制截面進(jìn)行配筋設(shè)計，蓋梁采用C40混凝土，蓋梁懸臂端自重192.8 kN，剪力合計Vd=2 700+192.8=2 892.7 kN，γo=1。

驗算截面尺寸：

截面滿足要求。

驗算是否需要計算配置箍筋：

小于剪力2 892.7 kN。

需要進(jìn)行配箍計算。

3.2 斜截面抗剪承載力計算

配置箍筋直徑16 mm，間距100 mm。

斜截面內(nèi)混凝土和箍筋共同得抗剪承載力設(shè)計值大于剪力2 892.7 kN。

滿足要求。

4 計算模型

4.1 有限元

主橋為異型橋梁，左右幅不對稱，橫橋向過渡墩左右幅支反力不平衡，縱橋向主引橋支反力不平衡，橫橋向、縱橋向均存在偏心，橋墩存在軸力、剪力、彎矩、扭矩等，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，平面桿系結(jié)構(gòu)不能很好反映橋墩結(jié)構(gòu)空間受力狀態(tài)，建立橋墩三維空間結(jié)構(gòu)模型，模擬橋墩在最大支反力作用下下靜力響應(yīng)（見圖5）。比較蓋梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力和不設(shè)置預(yù)應(yīng)力。

圖5 橋墩有限元模型圖

4.2 邊界條件

為了盡量保證模型邊界條件與實際結(jié)構(gòu)近似的同時，對無法準(zhǔn)確模擬的邊界條件按偏于安全處理[2，3]。根據(jù)平面桿系模型計算結(jié)果，提取結(jié)構(gòu)位移邊界條件和力的邊界條件加在模型上[4，5]。

4.3 結(jié)果分析

通過有限元分析，得到蓋梁頂、底面應(yīng)力分布，采用ANSYS路徑數(shù)據(jù)處理技術(shù)，繪制出頂、底板應(yīng)力曲線圖，見圖6～圖9，其中負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力。對應(yīng)力曲線，進(jìn)行積分運算求出應(yīng)力曲線面積，用應(yīng)力曲線面積除以蓋梁長度，得到相似按初等梁理論求得的應(yīng)力平均值。

圖6 蓋梁上緣主拉應(yīng)力

圖7 蓋梁上緣主壓應(yīng)力

圖8 蓋梁下緣主拉應(yīng)力

圖9 蓋梁下緣主壓應(yīng)力

從圖6～圖9，可以看出：

（1）蓋梁頂緣主拉應(yīng)力：蓋梁不設(shè)置預(yù)應(yīng)力情況下頂緣最大拉應(yīng)力5.81 MPa；蓋梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力后頂緣最大拉應(yīng)力2.62 MPa；圖6應(yīng)力曲線表明，設(shè)置蓋梁預(yù)應(yīng)力可以顯著降低頂緣拉應(yīng)力幅值，張拉預(yù)應(yīng)力后蓋梁頂緣的拉應(yīng)力由配置的普通鋼筋承擔(dān)；

（2）蓋梁頂緣主壓應(yīng)力：蓋梁不設(shè)置預(yù)應(yīng)力情況下頂緣最大壓應(yīng)力-3.4 MPa；蓋梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力后頂緣最大壓應(yīng)力-4.9 MPa；圖7應(yīng)力曲線表明，設(shè)置蓋梁預(yù)應(yīng)力蓋梁懸臂邊緣壓應(yīng)力有較大提升；

（3）蓋梁下緣主拉應(yīng)力：蓋梁不設(shè)置預(yù)應(yīng)力情況下頂緣最大拉應(yīng)力0.076 1 MPa；蓋梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力后頂緣最大拉應(yīng)力1.05 MPa；圖8應(yīng)力曲線表明，設(shè)置蓋梁預(yù)應(yīng)力蓋梁底緣會產(chǎn)生部分拉應(yīng)力，拉應(yīng)力較小，這部分拉應(yīng)力由普通鋼筋承擔(dān)；

（4）蓋梁下緣主壓應(yīng)力：蓋梁不設(shè)置預(yù)應(yīng)力情況下頂緣最大壓應(yīng)力-10.4 MPa；蓋梁設(shè)置預(yù)應(yīng)力后頂緣最大壓應(yīng)力-8.37 MPa；圖9應(yīng)力曲線表明，設(shè)置蓋梁預(yù)應(yīng)力蓋梁底緣壓應(yīng)力減小；

5 處理措施

多方案計算研究，證明大懸臂蓋梁須張拉部分預(yù)應(yīng)力，以消除蓋梁頂緣產(chǎn)生的較大拉應(yīng)力；同時預(yù)應(yīng)力有不能張拉太多，否者蓋梁底緣也會產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。為了達(dá)到一個平衡，完全消除按全預(yù)應(yīng)力配置設(shè)計蓋梁不合適，因此，采用按部分預(yù)應(yīng)力設(shè)計蓋梁，允許蓋梁出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，這部分拉應(yīng)力由普通鋼筋承擔(dān)。在蓋梁頂緣配置2根Φs15.2-6預(yù)應(yīng)力，待混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度后張拉，張拉控制應(yīng)力0.75 fpk，即單根張拉力約為1 757.7 kN。

6 結(jié) 語

經(jīng)該方案處理后蓋梁頂、底緣受力更合理；避免蓋梁頂緣混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。蓋梁頂?shù)拙墤?yīng)力儲備滿足規(guī)范要求。通過對大懸臂蓋梁平面、空間分析，解決了大懸臂蓋梁頂緣受力不合理問題，同時避免了，張拉過多預(yù)應(yīng)力造成蓋梁底緣開裂。