轉體施工鋼箱梁T型剛構橋橋墩設計方案比選

宋陽光， 龍 晟

(湖南建工交通建設有限公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

鋼箱梁T型剛構橋因跨越能力強、結構自重小、承載力高及施工快速簡便等優點，逐漸成為跨越鐵路、公路的優選橋型之一。該橋型的支撐方式可根據地形條件靈活選擇，但不同橋墩結構形式會對橋梁安全性產生不同影響，因此橋梁在建設過程中應高度重視橋墩結構形式的設計。

近年來，國內外學者關于鋼箱梁T型剛構橋的設計展開了大量研究。如楊國靜等[1]提出了適用于拱橋扣掛施工的T(剛)構門式高墩設計，針對門式T構交界墩進行受力分析，并與其他墩型進行經濟性比較，結果表明該結構受力合理、可較好地承擔施工扣塔的角色且經濟性好；孫大斌[2]針對客運專線無砟軌道預應力T構橋梁的合理跨徑，從技術性和經濟性兩方面進行分析，發現客運專線無砟軌道預應力混凝土T構橋單側跨度以不大于80 m為宜。劉君奎等[3]提出了一種以結構力學參數標定為依據的大型橋梁結構減振加固動力學方法，該方法可以使引起結構振動過大的自振頻率范圍響應幅值減小40%～50%，證明了其準確性和有效性；黃勝方[4]闡述了高墩大跨度T型剛構橋托架的設計方案，包括托架施工的設計原理、托架的數值建模及計算分析、托架反向預應力張拉體系設計原理，以及相應的施工方案，對同類路橋工程有一定參考意義。目前，適合鋼箱梁T型剛構橋的橋墩形式主要有混凝土墩、鋼結構墩、鋼混組合墩以及UHPC墩等，學者在研究橋墩設計參數時，基本是對單一橋型的參數進行比較，而關于不同橋墩結構形式的研究還不夠完善。基于此，本文以某鋼箱梁T型剛構橋工程為例，通過MIDAS/CIVIL軟件建立橋梁計算模型，并針對4種橋墩設計方案的橋梁變形及受力變化規律進行對比分析，選出最優橋墩設計方案，為今后類似橋梁的設計和施工提供一定參考。

1 工程概況

1.1 橋梁構造設計

某鋼箱梁T型剛構橋設計全長為200m，下部跨越4條鐵路專線，相交角度為62.5°。為了保證線路正常運行，該橋施工采用轉體法，由2個100m長T構組成，轉體角度均為65°。上部結構采用單箱五室變截式鋼箱梁，梁高2.8～6.8m，頂板寬21m，厚度范圍16～40mm；底板寬15.5m，厚度范圍16～24mm。該橋梁連接城市主干道，車道設計為雙向四車道，安全等級為Ⅰ級，荷載等級為城市A級，結構重要性系數為1.1，鐵路通行凈空要求不小于7.2m，抗震烈度設計為8度，加速度為0.2g。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 鋼箱梁T型剛構橋立面圖(單位： m)

1.2 橋墩設計方案

橋梁下部結構主墩原設計采用截面尺寸6 m×8 m的混凝土結構空心薄壁墩，縱橋向和橫橋向壁厚分別為1.2m和1.5m，主墩與鋼箱梁采用預應力鋼筋連接，樁基礎采用直徑為1.5m的鉆孔灌注樁，共計32根，呈矩形布置。為了使鋼箱梁剛構橋具有更高的安全性和穩定性，增加3種橋墩結構設計方案進行比較：

方案1： 采用鋼結構橋墩，截面鋼板24mm，中間設置4道厚度為16mm的橫隔板。

方案2： 采用鋼混組合結構橋墩，鋼板厚度為16mm，縱橋向和橫橋向混凝土灌注厚度分別為1.2m和1.5m。

方案3： 采用超高性能(UHPC)混凝土結構橋墩，縱橋向和橫橋向壁厚均為0.5m。

2 建立模型

運用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立鋼箱梁T型剛構橋的計算模型，鋼箱梁、橋墩及樁基礎均采用梁單元進行模擬，上部結構箱梁與下部結構主墩均采用主從約束連接，邊墩與主梁采用節點彈性連接，對主墩支座施加橫橋向和豎向約束，對邊墩支座進行豎向約束，墩底采用完全固結約束。計算過程中考慮樁-土之間的相互作用，采用土彈簧來模擬地基土對樁基礎的約束作用。全橋共包含396個梁單元和472個節點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型示意圖

計算模型中鋼箱梁和鋼結構橋墩材料均采用Q345鋼板，主墩承臺以及鋼混橋墩灌注材料均采用C50混凝土，墩身采用C40混凝土，預應力鋼束采用標準強度為1860MPa的高強度鋼絞線，其材料參數如表1所示。

表1 主要材料計算參數取值材料類型密度/(g·cm3)彈性模量/GPa泊松比C502.61350.20C402.55300.23UHPC2.72450.25Q3457.802100.32

3 結果與分析

為選擇鋼箱梁剛構橋更優橋墩結構設計方案，運用軟件分別建立4種不同橋墩結構形式的鋼箱梁剛構橋計算模型，并針對該橋施工階段和成橋階段的主梁位移、應力及橋墩彎矩變化情況進行對比分析，具體分析過程如下。

3.1 施工階段變形及受力分析

3.1.1位移分析

施工階段不同橋墩設計方案的主梁最大向上、向下位移變化曲線如圖3所示。

圖3 主梁最大位移變化曲線

根據圖3可知，采用不同橋墩結構形式的橋梁在施工階段所產生的最大位移值不同。相對于原設計方案，方案1的橋梁最大向上、向下位移分別增大了6.4mm和6.6mm，該方案造成的橋梁隆起和豎向變形量要遠遠大于原方案;方案2的橋梁最大向上、向下位移分別減小了2mm和2.1mm;方案3的橋梁最大向上、向下位移分別減小了1.4mm和1mm;方案2和方案3相對于原方案一定程度減小了主梁的隆起和豎向變形，由此說明橋墩采用方案2與方案3對于控制主梁豎向變形效果更好。

3.1.2應力分析

施工階段不同橋墩設計方案的主梁最大拉、壓應力變化曲線如圖4所示。

圖4 主梁最大應力變化曲線

根據圖4可知，采用不同橋墩設計方案的橋梁在施工階段主梁所產生最大壓應力基本一致，說明橋墩結構形式對于主梁壓應力的影響不大，但對主梁拉應力的影響較大。橋墩方案1～3的主梁最大拉應力相對于原方案分別減小了7.4%、18.3%和8.1%，其中方案1和方案3減幅相對較小；方案2的減幅相對較大，由此說明橋墩采用方案2對于控制主梁應力變形效果要優于其他橋墩設計方案。

3.1.3彎矩分析

施工階段不同橋墩設計方案的墩頂、墩底截面最大彎矩變化曲線如圖5所示。

圖5 墩頂、墩底最大彎矩變化曲線

根據圖5可知，不同橋墩設計方案對施工階段橋梁墩頂、墩底截面彎矩值影響較大。相對于原橋墩設計方案，方案1～3的橋梁墩頂截面最大彎矩值分別減小了34.4%、11.3%和5.2%；而相對于原設計方案的墩底截面最大彎矩值，方案1和方案3橋梁分別增大了30.8%和8.8%，方案2的橋梁則減小了7.8%；其中方案1雖然較大幅度的降低了橋梁墩頂截面的彎矩，但同時也大幅度提升了墩底截面的彎矩，極易造成橋梁失穩；而方案3減小墩頂截面彎矩的幅度比方案2小，且方案3一定程度上增大了墩底截面的彎矩，因此，該橋橋墩設計采用方案2對于橋梁結構受力更好。

3.2 成橋階段變形及受力對比分析

3.2.1位移分析

成橋階段不同橋墩設計方案的主梁最大向上、向下位移變化曲線如圖6所示。

圖6 主梁最大位移變化曲線

根據圖6可知，采用不同方案的橋梁在成橋階段所產生的最大位移值均要大于施工階段，且相對于橋墩原設計方案，采用方案1的橋梁最大位移出現較大增長，會導致橋梁的隆起和豎向變形量較大，而采用方案2和方案3的橋梁最大位移均有所下降，方案2的位移降幅相對較大，綜合來看該橋橋墩采用方案2對于控制成橋后主梁的最大變形效果更優。

3.2.2應力分析

成橋階段不同橋墩設計方案的主梁最大拉、壓應力變化曲線如圖7所示。

圖7 主梁最大應力變化曲線

根據圖7可知，采用3種橋墩設計方案的橋梁在成橋階段主梁所產生最大壓應力均要小于原方案，但減小幅度相對較小，而對于主梁拉應力的影響較大，采用橋墩方案1～3的主梁最大拉應力相對于原方案分別減小了8.9%、21.6%和12.1%，其中方案1和方案3減幅相對較小，方案2的減幅相對較大，由此說明成橋階段橋墩采用方案2對于控制主梁應力變形效果同樣要優于其他橋墩設計方案。

3.2.3彎矩分析

成橋階段不同橋墩設計方案的墩頂、墩底截面最大彎矩變化曲線如圖8所示。

圖8 墩頂、墩底最大彎矩變化曲線

根據圖8可知，不同橋墩設計方案對成橋階段橋梁墩頂截面的彎矩值影響較小，但對墩底截面的彎矩影響較大，采用方案1～3的橋梁相對于原橋墩設計方案的墩底截面最大彎矩值分別增大了11.4%、4.2%和19.1%，其中采用方案1和方案3的橋梁墩底截面最大彎矩值增幅較大，而采用方案2的橋梁增幅相對較小，由于橋梁墩底截面彎矩不宜過大，因此，對于橋梁受力而言橋墩設計采用原方案或方案2要優于方案1與方案3。

4 結論

通過對比分析4種橋墩設計方案對橋梁施工和成橋兩個階段的位移、應力及彎矩的影響規律，得到以下主要結論：

1) 采用鋼結構墩會大幅度增大橋梁施工階段和成橋階段的最大位移，而采用鋼混組合墩或UHPC墩可以一定幅度減小主梁隆起和豎向變形。不同橋墩設計方案對主梁壓應力的影響不大，3種橋墩方案均可降低主梁的最大拉應力，采用鋼混組合墩可有效降低施工18.3%和成橋階段21.6%的最大拉應力，效果更好。

2) 采用鋼結構墩會降低施工階段墩頂截面34.4%彎矩值，但同時也大幅度提升了墩底截面的彎矩30.8%；采用UHPC墩可以降低施工階段5.2%的墩頂彎矩，但會增大施工階段8.8%和成橋階段19.1%的墩底截面最大彎矩；而采用鋼混組合墩雖然增大了成橋階段11.3%的墩底彎矩值，但有效降低了施工階段墩頂、墩底截面最大彎矩。綜合來看，橋墩設計方案采用鋼混組合橋墩的橋梁相比鋼結構墩或UHPC墩的橋梁結構受力更為合理，安全性更高。