异型桥墩计算分析

张树清

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 工程概况

徐村秋浦河特大桥平面位于K10+630～K10+636.239（缓和曲线）横坡由-1.79%，变化到-2.0%，其余范围内（圆曲线半径为1 350 m）横坡为单向坡2.0%。主桥采用左右幅不对称系杆拱，系杆拱桥系梁、横梁及下部桥墩均按照单向坡2.0%设计，横坡变化段横桥向高差通过桥面铺装（现浇防水混凝土）调整。系杆拱桥采用斜桥正做，护栏线形与路线线形变化保持一致。系杆（纵梁）采用直线梁，横梁也采用直线梁，由于系杆拱桥采用以直包曲，导致路线设计中心线与系杆拱桥中心线不在一条直线上，路线中心线与桥梁中心线存在一定夹角（夹角不断变化），梁端线与路线法线方向存在一定夹角。下部结构采用2.5 m×2.5 m矩形桥墩接单悬臂盖梁及2.5 m×2.5 m矩形桥墩接双悬臂盖梁；双悬臂盖梁端部尺寸均为0.95 m×2.2 m，根部尺寸均为1.8 m×2.2 m，悬臂盖梁内设置杆内设有2束Фs15.2-6钢绞线，每束锚下张拉应力为1395 MPa；矩形墩柱下设承台，承台高3.0 m，承台接群桩基础，桩基直径为1.6 m钻孔灌注桩基础，桩基按端承桩设计。详见图1～图3。

2 材料参数

图1 桥型总体布置图（单位：m）

图2 桥墩构造图（单位：m）

图3 支座平面布置图（单位：m）

桥墩采用C40混凝土，弹性模量Ec=3.25×104MPa，泊松比vc=0.2，温度线膨胀系数为0.000 01，轴心抗压强度标准值fck=26.8 MPa、抗拉强度标准值ftk=2.4 MPa，轴心抗压强度设计值fcd=18.4 MPa，抗拉强度设计ftd=1.65 MPa[1]。

3 计算荷载

系杆拱采用的独柱式桥墩双悬臂盖梁，须对其静力强度进行验算，验算时要根据当地车流量实际情况，充分考虑活载偏载效应，并采用空间模型进行验算。大跨度桥梁过渡墩，由于主引桥支反力差异较大，且左右幅错孔不对称，两侧支座不能对称布置于桥墩中心线两侧。支座在过渡墩墩顶布置必须考虑桥墩偏心影响（见图4）：

（1）墩顶应能布置双排支座，满足支座垫石空间要求；

（2）桥梁伸缩缝中心线距桥墩中心线距离即为桥墩偏心距；

（3）桥墩偏心应满足如下要求：

显然支反力F1小的一侧力臂X1较大，支反力F2大的一侧力臂X2较小。

图4 过渡墩受力示意图

为保持两侧弯矩平衡，就需把桥墩中心往支反力大的一侧偏移，由于伸缩缝中心线（里程桩号）不会改变，桥墩中心线与伸缩缝中心线产生一个距离X3，这个距离就是桥墩偏心距。往往有些大跨桥梁过渡墩未考虑偏心，或者偏心距设置不当，造成桥墩承受较大弯矩，久而久之桥墩开裂破坏。系杆拱全桥整体模型采用MIDAS有限元软件计算，荷载选取由整体计算得出的最大支反力。

3.1 盖梁斜截面计算

取截面剪力2 700 kN作为控制截面进行配筋设计，盖梁采用C40混凝土，盖梁悬臂端自重192.8 kN，剪力合计Vd=2 700+192.8=2 892.7 kN，γo=1。

验算截面尺寸：

截面满足要求。

验算是否需要计算配置箍筋：

小于剪力2 892.7 kN。

需要进行配箍计算。

3.2 斜截面抗剪承载力计算

配置箍筋直径16 mm，间距100 mm。

斜截面内混凝土和箍筋共同得抗剪承载力设计值大于剪力2 892.7 kN。

满足要求。

4 计算模型

4.1 有限元

主桥为异型桥梁，左右幅不对称，横桥向过渡墩左右幅支反力不平衡，纵桥向主引桥支反力不平衡，横桥向、纵桥向均存在偏心，桥墩存在轴力、剪力、弯矩、扭矩等，结构受力复杂，平面杆系结构不能很好反映桥墩结构空间受力状态，建立桥墩三维空间结构模型，模拟桥墩在最大支反力作用下下静力响应（见图5）。比较盖梁设置预应力和不设置预应力。

图5 桥墩有限元模型图

4.2 边界条件

为了尽量保证模型边界条件与实际结构近似的同时，对无法准确模拟的边界条件按偏于安全处理[2，3]。根据平面杆系模型计算结果，提取结构位移边界条件和力的边界条件加在模型上[4，5]。

4.3 结果分析

通过有限元分析，得到盖梁顶、底面应力分布，采用ANSYS路径数据处理技术，绘制出顶、底板应力曲线图，见图6～图9，其中负值为压应力，正值为拉应力。对应力曲线，进行积分运算求出应力曲线面积，用应力曲线面积除以盖梁长度，得到相似按初等梁理论求得的应力平均值。

图6 盖梁上缘主拉应力

图7 盖梁上缘主压应力

图8 盖梁下缘主拉应力

图9 盖梁下缘主压应力

从图6～图9，可以看出：

（1）盖梁顶缘主拉应力：盖梁不设置预应力情况下顶缘最大拉应力5.81 MPa；盖梁设置预应力后顶缘最大拉应力2.62 MPa；图6应力曲线表明，设置盖梁预应力可以显著降低顶缘拉应力幅值，张拉预应力后盖梁顶缘的拉应力由配置的普通钢筋承担；

（2）盖梁顶缘主压应力：盖梁不设置预应力情况下顶缘最大压应力-3.4 MPa；盖梁设置预应力后顶缘最大压应力-4.9 MPa；图7应力曲线表明，设置盖梁预应力盖梁悬臂边缘压应力有较大提升；

（3）盖梁下缘主拉应力：盖梁不设置预应力情况下顶缘最大拉应力0.076 1 MPa；盖梁设置预应力后顶缘最大拉应力1.05 MPa；图8应力曲线表明，设置盖梁预应力盖梁底缘会产生部分拉应力，拉应力较小，这部分拉应力由普通钢筋承担；

（4）盖梁下缘主压应力：盖梁不设置预应力情况下顶缘最大压应力-10.4 MPa；盖梁设置预应力后顶缘最大压应力-8.37 MPa；图9应力曲线表明，设置盖梁预应力盖梁底缘压应力减小；

5 处理措施

多方案计算研究，证明大悬臂盖梁须张拉部分预应力，以消除盖梁顶缘产生的较大拉应力；同时预应力有不能张拉太多，否者盖梁底缘也会产生较大拉应力。为了达到一个平衡，完全消除按全预应力配置设计盖梁不合适，因此，采用按部分预应力设计盖梁，允许盖梁出现较小的拉应力，这部分拉应力由普通钢筋承担。在盖梁顶缘配置2根Φs15.2-6预应力，待混凝土强度达到设计强度后张拉，张拉控制应力0.75 fpk，即单根张拉力约为1 757.7 kN。

6 结 语

经该方案处理后盖梁顶、底缘受力更合理；避免盖梁顶缘混凝土出现开裂现象。盖梁顶底缘应力储备满足规范要求。通过对大悬臂盖梁平面、空间分析，解决了大悬臂盖梁顶缘受力不合理问题，同时避免了，张拉过多预应力造成盖梁底缘开裂。