预制吊装结构桥墩受力性能研究

彭亚军，马玉全，许佳波

(广东省公路勘察规划设计院股份有限公司)

1 工程简介

以广东省连州(湘粤界)至怀集高速公路项目某大桥一联4×40 m简支转连续刚构T梁为例。分析采用如下图所示的四种不同墩型截面，其桥墩的截面特性表如表1所示。

图1 不同墩型横断面图

表1 四种墩型的截面特性表

上部结构桥面宽为1 360 cm，采用6片预制T梁，梁间距为230 cm，中梁预制宽为175 cm，边梁预制宽为187.5 cm。湿接缝宽度为55 cm。

采用MidasCivil2010进行结构整体计算。根据T梁构造尺寸建立上部结构，对应四种墩型均采用50 m墩高、30 m桩长，考虑桩基土弹簧的作用，m值取1.5e4 kN/m4。

计算荷载参数:考虑自重、汽车荷载、风荷载(分极限风荷载及组合风荷载)、温度作用(整体温差及梯度温差)、施工架梁荷载。

2 桥墩静力及整体稳定分析对比

2.1 施工阶段静力及整体稳定分析对比

施工阶段考虑自重、极限风荷载及施工荷载组合作用。不同墩型的墩底截面内力及应力对比如下表2及表3所示。

表2 施工阶段不同墩型墩底截面内力对比

此四种墩型架梁施工阶段第一阶屈曲失稳模态均为纵倾，其稳定系数如下表4所示。

表3 施工阶段不同墩型墩底截面应力对比

表4 施工阶段不同墩型稳定分析对比

由上表可以看出，空心薄壁墩的一阶弹性稳定系数最大，双薄壁空心墩次之，双柱式墩和工字形墩最小，且相差不大。

2.2 成桥阶段整体稳定分析对比

体系由简支转成连续刚构后，各种墩型全桥整体稳定系数如下表5所示。

表5 成桥阶段不同墩型稳定分析对比

由上表计算结果可见，成桥阶段由于各预制梁段连接成整体，一阶弹性屈曲系数均有较大提高，约为施工阶段的2倍左右。其中空心薄壁墩由于成桥后纵桥向的刚度增大，一阶失稳模态已由纵倾转变成侧倾，表明空心薄壁墩成桥后全桥纵向整体刚度大于横桥向整体刚度。

2.3 运营阶段静力及整体稳定分析对比

运营阶段考虑一、二期恒载、活载(包括制动力)、组合风荷载、梁体温度作用(整体升降温及梯度温差)、桥墩梯度温度。不同墩型的墩底截面内力及应力对比如下表6及表7所示。

表6 运营阶段不同墩型墩底截面内力对比

续表6

表7 运营阶段不同墩型墩底截面应力对比

此四种墩型运营阶段的稳定系数如下表8所示。

表8 运营阶段不同墩型稳定分析对比

对比成桥阶段与运营阶段弹性稳定分析结果可知，运营阶段考虑了各种不利荷载工况后，弹性稳定系数并没有太大的变化。说明运营时的各种工况对弹性稳定影响不大，结构主要由主梁的构造、上下部之间的连接及下部墩型决定。

3 几何非线性稳定分析

对于第一类线弹性稳定分析的理论，在特征值分析中没有办法考虑结构的大变形效应。对于高墩结构，在竖向重力、侧向风载、以及施工荷载的共同作用下，墩顶偏位可能较大，那么P-△效应就不可忽视。这样，用第一类稳定的线弹性理论来分析墩的稳定性，对结构的安全性能的评估，显然没有足够的说服力。因此，考虑几何非线性的稳定分析是非常有必要的。本节针对稳定系数最不利的架梁施工阶段，考虑几何非线性的影响进行非线性稳定分析，对比线弹性稳定分析的结果评价几何非线性对结构稳定性影响的大小。

图2为各种墩型考虑几何非线性以后的荷载—位移曲线，稳定荷载系数取图中曲线曲率明显变小的点的纵坐标值。

图2 各种墩型考虑几何非线性后的荷载—位移曲线

线弹性以及考虑几何非线性以后的稳定系数对比见下表。

表9 施工阶段不同墩型稳定分析对比

由上表可以看出，空心薄壁墩的一阶弹性稳定系数最大，双薄壁空心墩次之，双柱式墩和工字形墩最小，且相差不大。同时可以看出，在考虑了几何非线性以后的稳定系数约为弹性稳定系数的70% ～80%，皆有不同程度的降低。

4 薄壁墩的局部稳定分析

在midas civil里根据薄壁空心墩壁厚中心线建立板单元轴线，壁厚采用50 cm。薄壁墩的上下部分别采用刚性连接与盖梁和桩连接。以下所有的局部屈曲分析均是在以下荷载工况组合下进行:一、二期恒载+最不利静活载+制动力+温度作用(整体温差及梯度温差)+组合风荷载。

为了对比空心薄壁墩壁厚对局部屈曲的影响，选取壁厚为30 cm、40 cm、50 cm，并且在没有设置横隔板的情况下分别计算，分析结果如下表所示。

表10 空心薄壁墩壁厚对局部屈曲的影响对比

在选定壁厚为50 cm的条件下，考虑不设置横隔板、设置一道横隔板、设置两道横隔板;隔板的厚度分别为30 cm、50 cm的条件下局部屈曲分析，对比结果如下表所示。

表11 空心薄壁横隔板道数对局部屈曲的影响对比

由不同壁厚的局部屈曲分析对比表中可以看出，壁厚的不同对局部屈曲系数的影响很大。在壁厚由30 cm加厚到40 cm、40 cm加厚到50 cm的条件下，局部屈曲系数大约是原来的2倍。

由横隔板设置道数及隔板厚度不同的局部屈曲分析对比表中可以看出，隔板道数的设置、隔板厚度的变化基本上不影响局部屈曲系数。这是因为局部失稳发生位置较低，故设置少量的横隔板对桥墩局部稳定系数影响很小。

由此可见，薄壁空心墩在壁厚为50 cm、不设横隔板的情况下局部屈曲系数为259.5，局部屈曲一般不容易出现。由于横隔板道数及厚度对局部屈曲系数影响不大，仅需按施工和构造上的要求设置横隔板即可，一般每30 m左右设置一道。

5 结论

根据以上四种墩形施工阶段及成桥运营阶段静力分析及稳定分析结果综合比较可以得出如下结论。

(1)施工架梁阶段桥墩受力最为不利，控制桥墩设计。在混凝土材料用量基本相同的情况下，薄壁墩相比其他三种墩型结构抗弯刚度大，桥梁整体刚度大，第一类稳定及第二类稳定安全系数高，是预装吊装高墩结构最合理的墩型。

(2)在考虑了几何非线性以后的稳定系数约为弹性稳定系数的70% ～80%，各种墩型皆有不同程度的降低。

(3)薄壁墩设置隔板的道数、隔板的厚度对局部稳定影响很小;壁厚影响相对较为显著。

(4)薄壁墩墩身的宽厚比超过1/13时，局部稳定安全系数远高于整体稳定安全系数，局部稳定不控制设计，没有必要在薄壁腔内设置很多横板，造成施工不必要的麻烦。

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［1］公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范(JTJD62-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］公路桥涵设计通用规范(JTJD60-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］陈强.先简支后连续结构体系研究［D］.浙江大学博士学位论文，2002.

［4］于学军，詹建辉，彭永利.简支转预应力结构连续T形梁桥设计计算［J］.世界桥梁，2003.