高低墩大跨連續(xù)剛構橋受力分析

韋卓彬

(廣西交建工程建設集團有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

山區(qū)橋梁中小跨徑通常采用常規(guī)預制T梁或箱梁方案,大跨徑通常采用連續(xù)剛構橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋,其中應用較多的橋型為連續(xù)剛構橋。該橋型主跨通常在100～250 m,其跨徑越大,往往墩高較高。一般而言,在相對平坦的地區(qū),通過合理的橋型位置布置,可將連續(xù)剛構橋墩高做到接近,此時結構整體受力對稱,力學性能較好。但當河道地面線起伏較大,河道兩側地面線高差變化明顯,同時橋梁平均墩高仍較高時,具有明顯墩高落差的高低墩連續(xù)剛構橋是必要的選擇方案。高低墩大跨連續(xù)剛構橋與常規(guī)剛構橋相比,主墩抗推剛度明顯不同,受力狀態(tài)將發(fā)生改變。

陳堯三[1]對連續(xù)剛構橋結構特點、關鍵設計參數(shù)和病害控制進行了探討。劉通[2]基于Midas Civil軟件,采用彈塑性分析方法對控制截面應力和變形進行了研究;劉國華等[3]結合某運營高速高墩大跨徑連續(xù)剛構橋,對抗震性能進行了評價;姜濤等[4]對超高墩大跨連續(xù)剛構橋主墩設計進行了探討;向亞軍[5]對某大跨連續(xù)剛構橋177.4 m雙肢薄壁-箱型組合墩施工過程穩(wěn)定性進行了計算分析,該墩高下穩(wěn)定性滿足要求;郝建鋒[6]對連續(xù)剛構橋掛籃設計和最新施工技術進行了探析;馮源露[7]以某鐵路高低墩特大剛構橋為依托,對施工過程和成橋狀態(tài)下全橋受力特性進行了詳細分析。目前文獻關于大跨連續(xù)剛構橋的研究主要圍繞結構本身的設計要點、施工工藝、受力分析和成橋過程等方面,對山區(qū)公路高低墩橋型下的大跨連續(xù)剛構橋研究相對較少。本文結合Midas Civil軟件,對高低墩大跨連續(xù)剛構橋進行分析,提高設計人員對此類橋型的認識。

1 工程背景

某山區(qū)高速公路采用雙向四車道布置,半幅橋面總寬為12.25 m,設計速度為80 km/h,設計荷載為公路-Ⅰ級,地震動峰值加速度為0.05 g。為跨越溝谷,經橋型方案研究后,主橋采用(117+220+117) m大跨連續(xù)剛構橋方案,邊中跨比為0.53,在合理范圍內,引橋采用40 m常規(guī)預制T梁。溝谷陡峭,主墩高度分別為78 m和156 m,具有典型的高低墩特征。本次設計橋墩分別選擇雙肢薄壁墩和雙肢薄壁-箱型組合墩。主梁采用單箱單室現(xiàn)澆箱梁形式,墩頂截面高13.5 m,跨中截面高4.5 m,梁高和底板厚度變化采用1.6次拋物線形式,頂板厚度為30 cm,腹板厚度采用三次漸變形式,依次由90 cm調整至60 cm。主梁和主墩均采用C55混凝土。該橋橋型布置圖如圖1所示。

圖1 連續(xù)剛構橋橋型布置圖(cm)

2 橋墩選型分析

大跨度連續(xù)剛構主墩設計非常關鍵。一般而言,主墩型式包括:獨柱空心墩、雙肢薄壁墩和雙肢薄壁-箱型組合墩等,合理選擇橋墩型式能夠使主梁受力處于較優(yōu)狀態(tài),同時也影響樁基工程量。3種墩型中,獨柱空心墩對于墩高的適應范圍較廣。此處在本設計墩型的基礎上,對比主墩若選擇為獨柱空心墩型式,分析大跨連續(xù)剛構橋受力差異。由于墩高較高,獨柱空心墩采用箱型墩形式,箱型墩截面如圖2所示,其中短邊為橫橋向,對于雙肢薄壁-箱型組合墩而言,主墩上部雙肢薄壁部分與兩側小箱室尺寸一致,雙肢薄壁中心距為9.5 m。

圖2 箱型墩結構尺寸圖(cm)

基于Midas Civil軟件,采用梁單元考慮施工過程,分別建立本設計和獨柱箱型墩兩種墩型下的有限元模型,如圖3所示。

(a)本設計

經計算分析:標準組合下,對于本設計而言,主墩樁頂反力分別為258 820.3 kN和379 208.3 kN;對于獨柱箱型墩而言,主墩樁頂反力分別為290 288.3 kN和411 581.4 kN,原設計相比于獨柱箱型墩樁頂反力減少12.2%和8.5%,有利于節(jié)約樁基工程量。提取基本組合下主墩墩頂、1/4截面、跨中截面和3/4截面彎矩進行分析,如圖4所示。

圖4 兩種墩型主跨關鍵截面彎矩對比曲線圖

兩種墩型對于主跨跨中、1/4截面和3/4截面彎矩影響不大,主要影響主墩墩頂彎矩,采用本設計主墩型式,主墩墩頂彎矩分別降低10.3%和16.5%,橋墩越高采用雙肢薄壁-箱型組合墩墩頂彎矩較獨柱箱型墩減少較多。綜合考慮樁基材料和主梁內力情況,采用本設計墩型能夠節(jié)約投資。

3 高低墩參數(shù)分析

3.1 高低墩與等高墩主梁內力差異分析

為了研究高低墩大跨連續(xù)剛構橋與等高墩大跨連續(xù)剛構橋受力的差異,分別取本設計高低墩墩高、等低墩墩高和等高墩墩高3種情形進行分析,墩高影響抗推剛度,主要影響收縮徐變內力和系統(tǒng)溫度內力,對溫度梯度內力基本沒影響,計算得到主跨關鍵截面收縮徐變彎矩和系統(tǒng)升溫(系統(tǒng)降溫規(guī)律一致)彎矩分別如圖5和圖6所示,其中收縮徐變定義為10年,系統(tǒng)升溫為25 ℃。

圖5 本設計與等墩高收縮徐變彎矩對比曲線圖

圖6 本設計與等墩高系統(tǒng)升溫彎矩對比曲線圖

計算結果表明:

(1)當墩高整體較低時,即等低墩墩高狀態(tài)下,主梁關鍵截面收縮徐變彎矩和系統(tǒng)溫度彎矩均較小。

(2)就收縮徐變引起的主梁彎矩而言,由于基本組合下主墩墩頂處存在較大的負彎矩,因此收縮徐變彎矩為正值時有利于彎矩控制。3種狀態(tài)下收縮徐變均為正值,對于結構設計有利。等高墩墩高狀態(tài)收縮徐變彎矩整體大于等低墩墩高。高低墩狀態(tài)下低墩墩頂收縮徐變彎矩最小,高墩墩頂收縮徐變彎矩最大。

(3)就系統(tǒng)升溫引起的主梁彎矩而言,等低墩墩高和等高墩墩高兩種狀態(tài)下關鍵截面整體規(guī)律基本一致。高低墩狀態(tài)下低墩墩頂和高墩墩頂截面彎矩差值明顯增大,表明高低墩由于主墩抗推剛度發(fā)生改變后造成水平荷載發(fā)生重分布,使結構受力較等墩墩高狀態(tài)更為不利。

3.2 高低墩墩高差對主梁內力影響分析

在本設計高低墩墩高的基礎上,逐漸增大墩高差,進一步研究墩高差對大跨連續(xù)剛構橋受力的影響。此處保持156 m高墩墩高不變,使低墩由78 m分別降至58 m、38 m和18 m,保持主墩截面形狀不變,分別得到關鍵截面收縮徐變彎矩和溫度梯度彎矩如圖7和圖8所示。

圖7 不同低墩墩高收縮徐變彎矩對比曲線圖

圖8 不同低墩墩高系統(tǒng)升溫彎矩對比曲線圖

由圖7～8計算結果表明:低墩墩高在由本設計78 m降低至38 m的過程中,低墩墩頂收縮徐變彎矩逐漸降低,高墩墩頂收縮徐變彎矩逐漸增大,低墩和高墩墩頂系統(tǒng)升溫彎矩逐漸增大;當?shù)投斩崭呓抵?8 m時,低墩墩頂收縮徐變和系統(tǒng)升溫彎矩變化趨勢正好相反,即收縮徐變彎矩突然增大,系統(tǒng)升溫彎矩突然減小,而高墩墩頂收縮徐變和系統(tǒng)溫度彎矩變化趨勢不變。建議山區(qū)高速公路高低墩大跨連續(xù)剛構橋在設計時低墩墩高應控制在合理范圍內,不宜過小。

4 結語

本文以某山區(qū)高速公路(117+220+117) m高低墩大跨連續(xù)剛構橋為研究對象,基于Midas Civil軟件探討了橋墩型式和高低墩參數(shù)對主梁受力的影響,得出主要結論如下:

(1)本設計連續(xù)剛構低墩和高墩所分別選用的雙肢薄壁墩和雙肢薄壁-箱型組合墩橋墩型式相對合理,主梁受力較好,同時節(jié)約樁基造價。

(2)大跨連續(xù)剛構橋高低墩相比于主墩等高而言,高墩墩頂收縮徐變正彎矩較大,系統(tǒng)升溫負彎矩較大。當高低墩墩高在一定范圍內相差越大時,低墩墩頂收縮徐變彎矩越小,高墩墩頂收縮徐變彎矩越大,低墩和高墩墩頂系統(tǒng)升溫彎矩數(shù)值也越大。山區(qū)高速公路大跨連續(xù)剛構橋設計時應避免使主墩墩高差距過大,當墩高懸殊時應通過結構驗算進行合理配束和施工控制。