转体施工钢箱梁T型刚构桥桥墩设计方案比选

宋阳光， 龙 晟

(湖南建工交通建设有限公司， 湖南 长沙 410004)

0 引言

钢箱梁T型刚构桥因跨越能力强、结构自重小、承载力高及施工快速简便等优点，逐渐成为跨越铁路、公路的优选桥型之一。该桥型的支撑方式可根据地形条件灵活选择，但不同桥墩结构形式会对桥梁安全性产生不同影响，因此桥梁在建设过程中应高度重视桥墩结构形式的设计。

近年来，国内外学者关于钢箱梁T型刚构桥的设计展开了大量研究。如杨国静等[1]提出了适用于拱桥扣挂施工的T(刚)构门式高墩设计，针对门式T构交界墩进行受力分析，并与其他墩型进行经济性比较，结果表明该结构受力合理、可较好地承担施工扣塔的角色且经济性好；孙大斌[2]针对客运专线无砟轨道预应力T构桥梁的合理跨径，从技术性和经济性两方面进行分析，发现客运专线无砟轨道预应力混凝土T构桥单侧跨度以不大于80 m为宜。刘君奎等[3]提出了一种以结构力学参数标定为依据的大型桥梁结构减振加固动力学方法，该方法可以使引起结构振动过大的自振频率范围响应幅值减小40%～50%，证明了其准确性和有效性；黄胜方[4]阐述了高墩大跨度T型刚构桥托架的设计方案，包括托架施工的设计原理、托架的数值建模及计算分析、托架反向预应力张拉体系设计原理，以及相应的施工方案，对同类路桥工程有一定参考意义。目前，适合钢箱梁T型刚构桥的桥墩形式主要有混凝土墩、钢结构墩、钢混组合墩以及UHPC墩等，学者在研究桥墩设计参数时，基本是对单一桥型的参数进行比较，而关于不同桥墩结构形式的研究还不够完善。基于此，本文以某钢箱梁T型刚构桥工程为例，通过MIDAS/CIVIL软件建立桥梁计算模型，并针对4种桥墩设计方案的桥梁变形及受力变化规律进行对比分析，选出最优桥墩设计方案，为今后类似桥梁的设计和施工提供一定参考。

1 工程概况

1.1 桥梁构造设计

某钢箱梁T型刚构桥设计全长为200m，下部跨越4条铁路专线，相交角度为62.5°。为了保证线路正常运行，该桥施工采用转体法，由2个100m长T构组成，转体角度均为65°。上部结构采用单箱五室变截式钢箱梁，梁高2.8～6.8m，顶板宽21m，厚度范围16～40mm；底板宽15.5m，厚度范围16～24mm。该桥梁连接城市主干道，车道设计为双向四车道，安全等级为Ⅰ级，荷载等级为城市A级，结构重要性系数为1.1，铁路通行净空要求不小于7.2m，抗震烈度设计为8度，加速度为0.2g。桥梁立面布置如图1所示。

图1 钢箱梁T型刚构桥立面图(单位： m)

1.2 桥墩设计方案

桥梁下部结构主墩原设计采用截面尺寸6 m×8 m的混凝土结构空心薄壁墩，纵桥向和横桥向壁厚分别为1.2m和1.5m，主墩与钢箱梁采用预应力钢筋连接，桩基础采用直径为1.5m的钻孔灌注桩，共计32根，呈矩形布置。为了使钢箱梁刚构桥具有更高的安全性和稳定性，增加3种桥墩结构设计方案进行比较：

方案1： 采用钢结构桥墩，截面钢板24mm，中间设置4道厚度为16mm的横隔板。

方案2： 采用钢混组合结构桥墩，钢板厚度为16mm，纵桥向和横桥向混凝土灌注厚度分别为1.2m和1.5m。

方案3： 采用超高性能(UHPC)混凝土结构桥墩，纵桥向和横桥向壁厚均为0.5m。

2 建立模型

运用有限元软件MIDAS/CIVIL建立钢箱梁T型刚构桥的计算模型，钢箱梁、桥墩及桩基础均采用梁单元进行模拟，上部结构箱梁与下部结构主墩均采用主从约束连接，边墩与主梁采用节点弹性连接，对主墩支座施加横桥向和竖向约束，对边墩支座进行竖向约束，墩底采用完全固结约束。计算过程中考虑桩-土之间的相互作用，采用土弹簧来模拟地基土对桩基础的约束作用。全桥共包含396个梁单元和472个节点，其有限元模型如图2所示。

图2 全桥有限元模型示意图

计算模型中钢箱梁和钢结构桥墩材料均采用Q345钢板，主墩承台以及钢混桥墩灌注材料均采用C50混凝土，墩身采用C40混凝土，预应力钢束采用标准强度为1860MPa的高强度钢绞线，其材料参数如表1所示。

表1 主要材料计算参数取值材料类型密度/(g·cm3)弹性模量/GPa泊松比C502.61350.20C402.55300.23UHPC2.72450.25Q3457.802100.32

3 结果与分析

为选择钢箱梁刚构桥更优桥墩结构设计方案，运用软件分别建立4种不同桥墩结构形式的钢箱梁刚构桥计算模型，并针对该桥施工阶段和成桥阶段的主梁位移、应力及桥墩弯矩变化情况进行对比分析，具体分析过程如下。

3.1 施工阶段变形及受力分析

3.1.1位移分析

施工阶段不同桥墩设计方案的主梁最大向上、向下位移变化曲线如图3所示。

图3 主梁最大位移变化曲线

根据图3可知，采用不同桥墩结构形式的桥梁在施工阶段所产生的最大位移值不同。相对于原设计方案，方案1的桥梁最大向上、向下位移分别增大了6.4mm和6.6mm，该方案造成的桥梁隆起和竖向变形量要远远大于原方案;方案2的桥梁最大向上、向下位移分别减小了2mm和2.1mm;方案3的桥梁最大向上、向下位移分别减小了1.4mm和1mm;方案2和方案3相对于原方案一定程度减小了主梁的隆起和竖向变形，由此说明桥墩采用方案2与方案3对于控制主梁竖向变形效果更好。

3.1.2应力分析

施工阶段不同桥墩设计方案的主梁最大拉、压应力变化曲线如图4所示。

图4 主梁最大应力变化曲线

根据图4可知，采用不同桥墩设计方案的桥梁在施工阶段主梁所产生最大压应力基本一致，说明桥墩结构形式对于主梁压应力的影响不大，但对主梁拉应力的影响较大。桥墩方案1～3的主梁最大拉应力相对于原方案分别减小了7.4%、18.3%和8.1%，其中方案1和方案3减幅相对较小；方案2的减幅相对较大，由此说明桥墩采用方案2对于控制主梁应力变形效果要优于其他桥墩设计方案。

3.1.3弯矩分析

施工阶段不同桥墩设计方案的墩顶、墩底截面最大弯矩变化曲线如图5所示。

图5 墩顶、墩底最大弯矩变化曲线

根据图5可知，不同桥墩设计方案对施工阶段桥梁墩顶、墩底截面弯矩值影响较大。相对于原桥墩设计方案，方案1～3的桥梁墩顶截面最大弯矩值分别减小了34.4%、11.3%和5.2%；而相对于原设计方案的墩底截面最大弯矩值，方案1和方案3桥梁分别增大了30.8%和8.8%，方案2的桥梁则减小了7.8%；其中方案1虽然较大幅度的降低了桥梁墩顶截面的弯矩，但同时也大幅度提升了墩底截面的弯矩，极易造成桥梁失稳；而方案3减小墩顶截面弯矩的幅度比方案2小，且方案3一定程度上增大了墩底截面的弯矩，因此，该桥桥墩设计采用方案2对于桥梁结构受力更好。

3.2 成桥阶段变形及受力对比分析

3.2.1位移分析

成桥阶段不同桥墩设计方案的主梁最大向上、向下位移变化曲线如图6所示。

图6 主梁最大位移变化曲线

根据图6可知，采用不同方案的桥梁在成桥阶段所产生的最大位移值均要大于施工阶段，且相对于桥墩原设计方案，采用方案1的桥梁最大位移出现较大增长，会导致桥梁的隆起和竖向变形量较大，而采用方案2和方案3的桥梁最大位移均有所下降，方案2的位移降幅相对较大，综合来看该桥桥墩采用方案2对于控制成桥后主梁的最大变形效果更优。

3.2.2应力分析

成桥阶段不同桥墩设计方案的主梁最大拉、压应力变化曲线如图7所示。

图7 主梁最大应力变化曲线

根据图7可知，采用3种桥墩设计方案的桥梁在成桥阶段主梁所产生最大压应力均要小于原方案，但减小幅度相对较小，而对于主梁拉应力的影响较大，采用桥墩方案1～3的主梁最大拉应力相对于原方案分别减小了8.9%、21.6%和12.1%，其中方案1和方案3减幅相对较小，方案2的减幅相对较大，由此说明成桥阶段桥墩采用方案2对于控制主梁应力变形效果同样要优于其他桥墩设计方案。

3.2.3弯矩分析

成桥阶段不同桥墩设计方案的墩顶、墩底截面最大弯矩变化曲线如图8所示。

图8 墩顶、墩底最大弯矩变化曲线

根据图8可知，不同桥墩设计方案对成桥阶段桥梁墩顶截面的弯矩值影响较小，但对墩底截面的弯矩影响较大，采用方案1～3的桥梁相对于原桥墩设计方案的墩底截面最大弯矩值分别增大了11.4%、4.2%和19.1%，其中采用方案1和方案3的桥梁墩底截面最大弯矩值增幅较大，而采用方案2的桥梁增幅相对较小，由于桥梁墩底截面弯矩不宜过大，因此，对于桥梁受力而言桥墩设计采用原方案或方案2要优于方案1与方案3。

4 结论

通过对比分析4种桥墩设计方案对桥梁施工和成桥两个阶段的位移、应力及弯矩的影响规律，得到以下主要结论：

1) 采用钢结构墩会大幅度增大桥梁施工阶段和成桥阶段的最大位移，而采用钢混组合墩或UHPC墩可以一定幅度减小主梁隆起和竖向变形。不同桥墩设计方案对主梁压应力的影响不大，3种桥墩方案均可降低主梁的最大拉应力，采用钢混组合墩可有效降低施工18.3%和成桥阶段21.6%的最大拉应力，效果更好。

2) 采用钢结构墩会降低施工阶段墩顶截面34.4%弯矩值，但同时也大幅度提升了墩底截面的弯矩30.8%；采用UHPC墩可以降低施工阶段5.2%的墩顶弯矩，但会增大施工阶段8.8%和成桥阶段19.1%的墩底截面最大弯矩；而采用钢混组合墩虽然增大了成桥阶段11.3%的墩底弯矩值，但有效降低了施工阶段墩顶、墩底截面最大弯矩。综合来看，桥墩设计方案采用钢混组合桥墩的桥梁相比钢结构墩或UHPC墩的桥梁结构受力更为合理，安全性更高。