施工偏差對連續剛構橋墩內力影響分析

毋曉琛

(山西省交通科技研發有限公司 太原市 030006)

1 概述

1.1 橋梁概況

某連續剛構橋為跨越河流而設，采用三跨連續剛構體系，分離式單幅橋，上部結構為跨徑組合(72+130+72)m預應力混凝土連續剛構，主墩墩梁固結，主墩采用薄壁空心墩，主橋上部結構采用懸臂施工法施工。主橋上部橫截面采用單箱單室箱型截面，支點處梁高7.9m，跨中梁高3.2m，橋面采用單面坡，箱梁高度按1.8次拋物線變化；支點底板厚度130cm，跨中底板厚32cm，箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化；橫截面為單箱單室直腹板箱梁，箱梁頂寬為12.55m，底板寬度為7.05m，箱梁兩端懸臂長度均2.75m。主梁典型斷面如圖1所示。

圖1 主梁一般構造圖(單位：cm)

主橋橋墩采用空心薄壁墩，墩高分別為70m和77m，最大外輪廓尺寸為橫向7.05m，順橋向6m，內設 70×50cm 倒角，墩底設3.0m厚實心段。橋墩壁橫橋向厚 0.7m，縱橋向厚 0.7m。承臺尺寸為 11.9m×11.9m，厚 4.5m。主墩基礎采用鉆孔灌注樁基礎，每墩采用 9 根直徑1.8m鉆孔灌注樁基礎，布置如圖2所示。

圖2 橋墩一般構造圖(單位：cm)

1.2 主要技術標準

公路等級：高速公路。

設計速度：80km/h。

橋梁設計荷載：公路-Ⅰ級。

地震動峰值加速度：0.05g。

橋面寬度：標準橫斷面為0.525m(外側護欄)+11.5m(機動車道)+0.525m(外側護欄)，橋面寬度為12.55m。

1.3 問題的提出

原設計橋墩橫向尺寸為7.05m，施工過程中由于各種偏差造成橋墩橫向尺寸為6.95m，較原設計相差10cm。為驗算橋墩橫向尺寸減小10cm對橋墩受力的影響，建立了原設計模型和橋墩減少10cm后的模型進行承載力驗算和正常使用階段驗算，確保減少后的橋墩滿足設計使用要求。為方便描述，橫向7.05m的橋墩稱為原結構，6.95m的橋墩稱為現結構[1-2]。

2 模型建立

采用有限元分析軟件Midas Civil分別建立原結構和現有結構的空間桿系有限元模型，如圖3所示，現階段模型僅改變橋墩橫向寬度即由7.05m改為6.95m。單個模型全橋共有單元111個，節點114個。主墩墩底固結，邊跨設滑動支座，墩梁固結。主梁采用標號為C55混凝土，空心薄壁墩采用C40，承臺采用C35，固結端采用剛臂模擬墩梁固結，主橋墩底按照固結處理，過渡墩設置滑動支座[3-4]。

圖3 連續鋼構有限元模型示意圖

3 施工階段橋墩內力分析

連續剛構施工階段最不利狀態時最大懸臂，此時分別考慮三種荷載工況：工況一是最大懸臂狀態一側不平衡重(單側澆注按超方5%考慮)；工況二是最大懸臂狀態超方+施工階段橫向風荷載；工況三是最大懸臂狀態超方+施工階段順橋向風荷載[5]。根據橋位所在地選取基本風速為29.1m/s，根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)的規定對施工階段風荷載進行計算，原結構主梁橫向風荷載為20.1kN/m，橋墩橫向風荷載為10.2kN/m，主梁順橋風荷載為5.03kN/m，橋墩橫向風荷載為10.7kN/m。現結構主梁橫向風荷載為20.1kN/m，橋墩橫向風荷載為10.2kN/m，主梁順橋風荷載為5.03kN/m，橋墩橫向風荷載為10.63kN/m[6]。計算結果如表1所示。

表1 施工階段最大懸臂狀態墩底內力對比表

通過對比可知，施工階段最大懸臂狀態現結構較原結構橋墩內力變化很小，兩橋墩墩底軸力減小約0.1%；最大懸臂狀態橫向風荷載產生的內力相同；縱向風荷載產生的My最大相差0.12%。通過對比，施工階段原結構和現結構橋墩內力變化很小，可忽略不計。

4 成橋階段橋墩內力分析

對原結構和現結構的成橋運營階段進行承載能力和正常使用狀態計算分析。承載能力狀態考慮恒載+溫度+百年風的基本組合，正常使用狀態考慮恒載+活載+溫度+運營風的頻遇值組合[7]。

4.1 承載能力極限狀態

根據橋位選取百年基本風速為29.1m/s，根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)的規定進行計算，計算結果如表2所示。

表2 承載能力極限狀態橋墩內力對比表

通過對比可知，成橋階段按照承載能力極限狀態進行內力組合，現結構較原結構橋墩內力變化很小，可忽略不計。

4.2 正常使用極限狀態

成橋階段運營風速為25m/s，根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01—2018)的規定進行計算，計算結果如表3所示[8]。

表3 正常使用極限狀態橋墩內力對比表

通過對比可知，成橋階段按照正常使用極限狀態進行內力組合，現結構較原結構橋墩內力變化很小，達不到0.01%，亦可忽略不計。

5 現結構墩身承載力分析

現狀結構橋墩墩身截面尺寸為6.95×6m(橫向×順向)，豎向鋼筋根數及直徑維持原結構，原結構主筋直徑為32mm，并2排布置，橫向布置56排，單側共計112根，順橋向布置48排，單側共計56根，鋼筋中心距外邊緣7.5cm；箍筋直徑為16mm，豎向間距10cm。根據第4.1節計算承載能力極限狀態下橋墩的內力，對墩身承載力進行驗算，計算如表4和表5所示。

從表4和表5可以看出現結構橋墩順橋向和橫橋向設計承載力安全系數均大于1，滿足設計使用要求。

表4 承載能力極限狀態橋墩順橋向驗算表

表5 承載能力極限狀態橋墩橫橋向驗算表

以上分析結果表明該橋橋墩由于施工誤差造成橫向尺寸減少10cm后，無論施工階段還是成橋運營階段影響都不大，現有結構承載力驗算亦滿足要求，同時橋墩全截面受壓無裂縫。但橋墩橫向尺寸較主梁少10cm(橋墩橫向6.95m，主梁橫向7.05m)，對墩梁結合部位施工工藝要求較大，為保證豎向傳力順暢，初步提出橋墩豎向鋼筋在墩頂做喇叭口形與主梁豎向鋼筋焊接的處理措施，焊接長度和伸進長度滿足規范要求[9-10]。

6 結論

(1)施工階段最大懸臂狀態現結構較原結構橋墩內力變化很小，橋墩墩底豎向軸力減小約0.1%；最大懸臂狀態時縱向風荷載產生的橫向彎矩最大相差0.12%，橫向風荷載產生的內力相同，故現結構內力變化可忽略不計。

(2)成橋階段現結構較原結構橋墩內力變化很小，可忽略不計。

(3)現結構橋墩按原結構配筋承載能力極限狀態安全系數均大于1，滿足設計要求。

(4)本橋墩橫向減少10cm對橋墩受力影響較小，但對墩梁固結位置施工要求較高，施工中應避免該種狀況發生。