大跨度高墩PC部分斜拉橋設計關鍵技術研究

羅富元，凌塑奇

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

部分斜拉橋兼有梁橋及斜拉橋的特點，因其具有外形美觀、造價經濟、施工方便、剛度大等優點，在國內外獲得廣泛應用[1]。PC部分斜拉橋在跨徑100～300 m具有較大的經濟優勢，在方案比選中經常能夠脫穎而出[2-5]。對于墩梁塔固結體系的部分斜拉橋，主墩承受絕大部分的上構荷載，在墩頂區域，結構受力十分復雜，合理的主墩設計構造，可以安全有效地實現傳遞上構荷載的功能。目前鮮有針對大跨度PC部分斜拉橋的主墩構造設計的研究，對于墩不高的情況，可以采用實心墩的形式，結構驗算簡便可靠。但是對于高墩而言，主墩形式往往有更多選擇，其構造設計對結構安全存在關鍵影響。因此，有必要對大跨度高墩PC部分斜拉橋主墩構造設計的合理性進行研究。

本文以某大跨徑高墩PC部分斜拉橋作為工程背景，研究不同主墩形式、墩頂構造細節對墩塔梁固結這一復雜受力區域的受力影響，為以后同類設計提供有益參考。

1 工程概況

培森柳江特大橋主橋(圖1)采用橋跨布置為(145+280+145)m的PC部分斜拉橋，橋寬29 m，跨中梁高4.5 m，根部梁高11.5 m，主塔為柱式塔，塔高50.0 m，全橋共設92根斜拉索，主墩采用單箱雙室截面，薄壁空心墩，兩岸主墩高度分別為63.4 m和66.6 m，屬國內在建公路橋梁最大跨度的PC部分斜拉橋。

2 計算模型

利用ANSYS有限元軟件根據該橋結構實際尺寸建立墩塔梁固結處部分主梁、索塔及橋墩結構實體模型，其混凝土采用Solid185單元模擬，并劃分六面體單元。結構幾何模型及有限元模型如圖2所示。

邊界條件：對承臺底部固結。

荷載條件：將全橋桿系模型的內力結果，分別施加到相應的主梁截面和索塔相應截面。并施加模型范圍內的結構自重、二期恒載、縱向預應力、梯度溫差。

圖1 培森柳江特大橋剖面圖(cm)

圖2 結構幾何模型圖

3 分析工況

由于墩柱較高，往往采用空心墩的形式。結合工程實際情況，根據主墩形式及墩頂構造的不同，對以下幾種主墩方案進行對比分析(見下頁圖3)：

方案1：單箱單室雙柱平頂框架墩。

方案2：單箱單室雙柱圓頂框架墩。

方案3：單箱單室雙柱斜頂框架墩。

方案4：單箱雙室獨柱墩。

(a)方案1 (b)方案2

(c)方案3 (d)方案4

對上述各主墩方案，分別輸入以下兩種荷載工況進行計算：

荷載1：墩頂截面最大負彎矩工況。

荷載2：墩頂最大軸力工況。

基于2種荷載工況和4種主墩方案進行組合，共計分析工況為8個。

4 分析結果

4.1 主墩分析結果

針對主墩墩頂受力復雜區域，分別提取以下5項應力：橫向應力Sx；縱向應力Sy；豎向應力Sz；主拉應力S1；主壓應力S3。如表1、表2所示列出了各荷載工況下不同方案主墩墩頂區域各項應力的最大值，表中正值表示拉應力，負值表示壓應力。為避免橋墩局部開裂，重點考察橋墩主拉應力，限于篇幅，僅給出荷載1工況下，各方案的主墩墩頂區域的主拉應力云圖，如圖4～7所示。

圖4 方案1主拉應力云圖(Pa)

圖5 方案2主拉應力云圖(Pa)

圖6 方案3主拉應力云圖(Pa)

圖7 方案4主拉應力云圖(Pa)

表1 荷載1不同方案主墩各項應力計算結果一覽表(MPa)

表2 荷載2不同方案主墩各項應力計算結果一覽表(MPa)

通過圖4～7可以看出：采用橫向單箱單室雙柱式主墩時，墩頂由于受到較大的豎向力，墩頂實心段的底部將受到較大的橫橋向拉應力，容易造成局部開裂，常用的構造細節均難以消除該應力集中效應。因此，對于承受大部分上構荷載的主墩，不宜采用橫向雙柱的形式。而采用單箱雙室獨柱墩，由于箱型截面中腹板的直接支承作用，墩頂實心段拉應力較小，可以通過布置受拉鋼筋，避免結構局部開裂。

4.2 主梁分析結果

針對主梁受力復雜區域，分別提取以下幾項應力：主梁0#塊頂板橫向應力Sx1，縱向應力Sy1；主梁0#塊底板橫向應力Sx2，縱向應力Sy2；主梁0#塊腹板橫向應力Sx3，縱向應力Sy3；0#塊橫梁橫向應力Sx4，豎向應力Sz4。表3、表4列出了兩種荷載工況下不同方案主梁各項應力的最大值，表中正值為拉應力，負值為壓應力。

兩種荷載工況下主梁頂板、底板及腹板橫向基本受壓，局部最大橫向拉應力分別為2.45 MPa(頂板上緣)、0.94 MPa(底板下緣)及2.45 MPa(腹板厚度處)；主梁縱向全截面受壓。0#塊橫梁受力均勻，橫向和豎向基本處于受壓狀態，局部最大拉應力分別為2.15 MPa、1.75 MPa。

表3 荷載1不同方案主梁各項應力計算結果一覽表(MPa)

表4 荷載2不同方案主梁各項應力計算結果一覽表(MPa)

通過表3和表4發現，主墩的4種方案對主梁0#塊局部受力幾乎無影響。

5 結語

本文以某大跨徑高墩PC部分斜拉橋為例，分析主墩形式、墩頂構造細節對墩梁固結這一復雜受力區域的受力影響。通過采用實體有限元分析，得出以下結論：

(1)對于墩塔梁固結體系的高墩PC部分斜拉橋，主墩承受大部分上構荷載，可采用整體獨柱式空心墩，且空心墩宜設置中腹板，以實現豎向荷載的有效傳遞，優化主墩受力狀態。

(2)主梁0#塊縱向全截面受壓，橫向及豎向局部存在拉應力，應設置橫向預應力和豎向預應力以消除拉應力。

(3)主墩形式、墩頂構造細節對主梁0#塊局部受力幾乎無影響。