大跨度高墩PC部分斜拉桥设计关键技术研究

罗富元，凌塑奇

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

部分斜拉桥兼有梁桥及斜拉桥的特点，因其具有外形美观、造价经济、施工方便、刚度大等优点，在国内外获得广泛应用[1]。PC部分斜拉桥在跨径100～300 m具有较大的经济优势，在方案比选中经常能够脱颖而出[2-5]。对于墩梁塔固结体系的部分斜拉桥，主墩承受绝大部分的上构荷载，在墩顶区域，结构受力十分复杂，合理的主墩设计构造，可以安全有效地实现传递上构荷载的功能。目前鲜有针对大跨度PC部分斜拉桥的主墩构造设计的研究，对于墩不高的情况，可以采用实心墩的形式，结构验算简便可靠。但是对于高墩而言，主墩形式往往有更多选择，其构造设计对结构安全存在关键影响。因此，有必要对大跨度高墩PC部分斜拉桥主墩构造设计的合理性进行研究。

本文以某大跨径高墩PC部分斜拉桥作为工程背景，研究不同主墩形式、墩顶构造细节对墩塔梁固结这一复杂受力区域的受力影响，为以后同类设计提供有益参考。

1 工程概况

培森柳江特大桥主桥(图1)采用桥跨布置为(145+280+145)m的PC部分斜拉桥，桥宽29 m，跨中梁高4.5 m，根部梁高11.5 m，主塔为柱式塔，塔高50.0 m，全桥共设92根斜拉索，主墩采用单箱双室截面，薄壁空心墩，两岸主墩高度分别为63.4 m和66.6 m，属国内在建公路桥梁最大跨度的PC部分斜拉桥。

2 计算模型

利用ANSYS有限元软件根据该桥结构实际尺寸建立墩塔梁固结处部分主梁、索塔及桥墩结构实体模型，其混凝土采用Solid185单元模拟，并划分六面体单元。结构几何模型及有限元模型如图2所示。

边界条件：对承台底部固结。

荷载条件：将全桥杆系模型的内力结果，分别施加到相应的主梁截面和索塔相应截面。并施加模型范围内的结构自重、二期恒载、纵向预应力、梯度温差。

图1 培森柳江特大桥剖面图(cm)

图2 结构几何模型图

3 分析工况

由于墩柱较高，往往采用空心墩的形式。结合工程实际情况，根据主墩形式及墩顶构造的不同，对以下几种主墩方案进行对比分析(见下页图3)：

方案1：单箱单室双柱平顶框架墩。

方案2：单箱单室双柱圆顶框架墩。

方案3：单箱单室双柱斜顶框架墩。

方案4：单箱双室独柱墩。

(a)方案1 (b)方案2

(c)方案3 (d)方案4

对上述各主墩方案，分别输入以下两种荷载工况进行计算：

荷载1：墩顶截面最大负弯矩工况。

荷载2：墩顶最大轴力工况。

基于2种荷载工况和4种主墩方案进行组合，共计分析工况为8个。

4 分析结果

4.1 主墩分析结果

针对主墩墩顶受力复杂区域，分别提取以下5项应力：横向应力Sx；纵向应力Sy；竖向应力Sz；主拉应力S1；主压应力S3。如表1、表2所示列出了各荷载工况下不同方案主墩墩顶区域各项应力的最大值，表中正值表示拉应力，负值表示压应力。为避免桥墩局部开裂，重点考察桥墩主拉应力，限于篇幅，仅给出荷载1工况下，各方案的主墩墩顶区域的主拉应力云图，如图4～7所示。

图4 方案1主拉应力云图(Pa)

图5 方案2主拉应力云图(Pa)

图6 方案3主拉应力云图(Pa)

图7 方案4主拉应力云图(Pa)

表1 荷载1不同方案主墩各项应力计算结果一览表(MPa)

表2 荷载2不同方案主墩各项应力计算结果一览表(MPa)

通过图4～7可以看出：采用横向单箱单室双柱式主墩时，墩顶由于受到较大的竖向力，墩顶实心段的底部将受到较大的横桥向拉应力，容易造成局部开裂，常用的构造细节均难以消除该应力集中效应。因此，对于承受大部分上构荷载的主墩，不宜采用横向双柱的形式。而采用单箱双室独柱墩，由于箱型截面中腹板的直接支承作用，墩顶实心段拉应力较小，可以通过布置受拉钢筋，避免结构局部开裂。

4.2 主梁分析结果

针对主梁受力复杂区域，分别提取以下几项应力：主梁0#块顶板横向应力Sx1，纵向应力Sy1；主梁0#块底板横向应力Sx2，纵向应力Sy2；主梁0#块腹板横向应力Sx3，纵向应力Sy3；0#块横梁横向应力Sx4，竖向应力Sz4。表3、表4列出了两种荷载工况下不同方案主梁各项应力的最大值，表中正值为拉应力，负值为压应力。

两种荷载工况下主梁顶板、底板及腹板横向基本受压，局部最大横向拉应力分别为2.45 MPa(顶板上缘)、0.94 MPa(底板下缘)及2.45 MPa(腹板厚度处)；主梁纵向全截面受压。0#块横梁受力均匀，横向和竖向基本处于受压状态，局部最大拉应力分别为2.15 MPa、1.75 MPa。

表3 荷载1不同方案主梁各项应力计算结果一览表(MPa)

表4 荷载2不同方案主梁各项应力计算结果一览表(MPa)

通过表3和表4发现，主墩的4种方案对主梁0#块局部受力几乎无影响。

5 结语

本文以某大跨径高墩PC部分斜拉桥为例，分析主墩形式、墩顶构造细节对墩梁固结这一复杂受力区域的受力影响。通过采用实体有限元分析，得出以下结论：

(1)对于墩塔梁固结体系的高墩PC部分斜拉桥，主墩承受大部分上构荷载，可采用整体独柱式空心墩，且空心墩宜设置中腹板，以实现竖向荷载的有效传递，优化主墩受力状态。

(2)主梁0#块纵向全截面受压，横向及竖向局部存在拉应力，应设置横向预应力和竖向预应力以消除拉应力。

(3)主墩形式、墩顶构造细节对主梁0#块局部受力几乎无影响。