薄壁空心高墩的設計與分析

謝 瑋

（中機中聯工程有限公司，重慶市 400041）

0 引 言

近年來，我國橋梁事業飛速發展，大量公路得以修建，對公路交通建設提出越來越高的要求。然而，西部多山區，溝谷洼地均需建設橋梁進行跨越，這在橋梁較好發展機遇的背景下增添不少挑戰。基于西部山區地貌特點，公路的修建必然需要跨越深溝峽谷，橋梁高墩大跨化勢在必行。新中國成立初期，由于受施工技術的限制，高墩的截面形式多為實體墩。隨著墩高不斷加大，墩身尺寸也隨之增大，高墩所帶來的一系列諸如墩身自重、剛度及受溫度影響等問題，是我們亟須解決的。高墩具有相當大的建筑高度，為減輕其結構自重，同時減少材料用量降低成本，常被設計為空心薄壁形式。薄壁空心橋墩截面構造形式多樣，按其外輪廓形狀可劃分為圓形、矩形及多邊形截面，按其內部箱室可劃分為單箱單室、單箱多室截面（見表1、表2）。基于薄壁空心高墩順橋向較低的抗推剛度，上部結構內力得以釋放，但其自身位移和彎矩需分析研究。

表1 國外目前已建成的高墩橋梁

表2 國內目前已建成的高墩橋梁

本文就薄壁空心高墩考慮溫度效應的實際荷載響應分析建立有限元模型，重點分析其自重、上部結構傳來的恒活載、制動力及溫度荷載的共同作用下墩頂的最大水平位移及墩底最大彎矩，并給出幾何非線性考慮與否對墩頂位移及墩底彎矩的影響。

1 工程概況

薄壁空心高墩作為目前橋梁設計中廣泛應用的一種橋墩形式，可達較高高度的墩身和經濟實用的空心結構是其備受青睞的原因[1]。華村立交南引橋4～7軸為3×51.5 m與嘉華連續剛構橋相接的3跨連續梁，立面如圖1所示。其中，第5、6、7軸線的橋墩均為高橋墩，其高度分別為41.4 m、30.9 m、27.3 m。為了減小橋墩自重及下部結構工程量，減輕地基的負荷，并使結構在外觀上變得更加輕盈，上述橋墩采用薄壁空心高墩結構形式，其截面如圖2所示。為了保證墩壁的穩定性和方便施工，并有效防止薄壁墩墩壁的畸變，在薄壁高墩內部按適當間距設置了橫隔板。

圖1 南引橋4～7軸立面圖（單位：mm）

圖2 南引橋薄壁空心高橋墩截面圖（單位：mm）

2 設計要點

對于墩高在30 m以下的矮墩，往往僅需考慮縱向及橫向的外力，其墩身截面尺寸由豎向應力控制。與常規橋墩相比，薄壁空心高墩的設計控制因素由豎向壓應力轉向墩頂位移和墩底彎矩，其幾何非線性及受到的日照溫差影響已不能忽視。

對于常規橋墩，僅采用基于彈性理論的幾何線性分析方法對橋墩的內力及變形進行分析已然足夠，不會引起較大誤差。但薄壁空心高橋墩屬于細長柔性桿件，其較為顯著的幾何非線性力學特征，是設計中應重視的因素。

另外，在日照作用下，鋼筋混凝土橋墩向陽壁的表面溫度因太陽光輻射而急劇升高，背陽面溫度隨著氣溫變化而緩慢變化，兩者之間產生較大溫差，從而在結構內部產生相當大的溫度力。特別對于重慶地區，夏季氣候酷熱，日照時間長，使得溫度效應成為薄壁高墩設計必須考慮的因素。

3 薄壁高墩的有限元分析

薄壁高墩的計算分析，除要考慮橋墩本身所受荷載，如自重、上部結構傳來的恒活載、溫度效應及風荷載外，還要考慮上部結構和基礎對其的約束作用，上部結構通過支座，將其自身變形影響部分施加于橋墩，即應上部、下部結構同時參與計算。

為準確把握南引橋薄壁空心高橋墩的受力特性，建立了相應的有限元模型進行結構分析。有限元分析采用通用有限元軟件ANSYS進行。以BEAM188空間梁單元模擬箱梁及薄壁高墩，并進行了足夠精細的單元劃分[2]。圖3為南引橋4～7軸薄壁高墩的計算模型。

圖3 南引橋薄壁空心高橋墩有限元模型

在有限元分析時，主要的荷載包括墩自重、上部結構傳來的恒活載及制動力等。此外，還重點考慮了溫度效應的影響。薄壁橋墩的溫差荷載主要是日照溫差荷載和升降溫溫差荷載。參考王永保等[3]的研究成果并考慮重慶市的氣候狀況，取日照溫差荷載為10℃，整體升溫荷載為20℃。根據《公路橋涵設計通用規范》[4]第4.1.6條的規定，按照承載能力極限狀態設計時，溫度荷載應乘以1.4的分項系數及0.8的組合系數，則溫度荷載的設計值分別為：日照溫差11.2℃及整體升溫22.4℃。圖4為7號軸橋墩的溫度分布。

圖4 南引橋7號軸薄壁空心高橋墩溫度荷載分布

圖5為南引橋薄壁高墩在自重、上部結構傳來恒活載、制動力及溫度荷載作用下的位移圖，圖6為相應的結構彎矩圖，所有內力均為承載能力極限狀態設計值。計算時同時考慮了因幾何非線性引起的初應力剛度矩陣和大位移剛度矩陣對單元剛度的影響。

圖5 南引橋薄壁空心高橋墩位移圖

圖6 南引橋薄壁空心高橋墩彎矩圖

由圖5、圖6可知，在自重、上部結構傳來的恒活載、制動力及溫度荷載的共同作用下，將在墩頂引起近5.0 cm的水平位移，并在7號軸墩底引起27 900 kN·m的強大彎矩，從而使該工況成為華村立交南引橋薄壁高墩設計的控制工況。

4 薄壁高墩幾何非線性的影響

在上述計算過程中，全面地考慮了薄壁高墩的大位移幾何非線性特性。計算表明，若不考慮大位移幾何非線性，對于薄壁高墩的設計將導致偏危險的結果。

圖7、圖8為不考慮大位移幾何非線性時的位移和彎矩圖。由圖中可見，不考慮大位移幾何非線性時，薄壁高墩墩頂水平位移減小為4.7 cm，7號軸墩底彎矩更降為25 900 kN·m。因此，不考慮大位移幾何非線性，將使薄壁高墩墩底彎矩被低估約7.2%而偏于危險。

圖7 南引橋薄壁空心高橋墩位移圖（不考慮幾何非線性）

圖8 南引橋薄壁空心高橋墩彎矩圖（不考慮幾何非線性）

5 結 語

通過分析發現，有日照溫差荷載和整體升溫荷載參與組合的荷載工況將成為華村立交薄壁高墩設計時的控制工況之一。忽略高柔橋墩的大位移幾何非線性特性，有可能導致偏于危險的設計結果。