高低墩大跨连续刚构桥受力分析

韦卓彬

(广西交建工程建设集团有限公司,广西 南宁 530006)

0 引言

山区桥梁中小跨径通常采用常规预制T梁或箱梁方案,大跨径通常采用连续刚构桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥,其中应用较多的桥型为连续刚构桥。该桥型主跨通常在100～250 m,其跨径越大,往往墩高较高。一般而言,在相对平坦的地区,通过合理的桥型位置布置,可将连续刚构桥墩高做到接近,此时结构整体受力对称,力学性能较好。但当河道地面线起伏较大,河道两侧地面线高差变化明显,同时桥梁平均墩高仍较高时,具有明显墩高落差的高低墩连续刚构桥是必要的选择方案。高低墩大跨连续刚构桥与常规刚构桥相比,主墩抗推刚度明显不同,受力状态将发生改变。

陈尧三[1]对连续刚构桥结构特点、关键设计参数和病害控制进行了探讨。刘通[2]基于Midas Civil软件,采用弹塑性分析方法对控制截面应力和变形进行了研究;刘国华等[3]结合某运营高速高墩大跨径连续刚构桥,对抗震性能进行了评价;姜涛等[4]对超高墩大跨连续刚构桥主墩设计进行了探讨;向亚军[5]对某大跨连续刚构桥177.4 m双肢薄壁-箱型组合墩施工过程稳定性进行了计算分析,该墩高下稳定性满足要求;郝建锋[6]对连续刚构桥挂篮设计和最新施工技术进行了探析;冯源露[7]以某铁路高低墩特大刚构桥为依托,对施工过程和成桥状态下全桥受力特性进行了详细分析。目前文献关于大跨连续刚构桥的研究主要围绕结构本身的设计要点、施工工艺、受力分析和成桥过程等方面,对山区公路高低墩桥型下的大跨连续刚构桥研究相对较少。本文结合Midas Civil软件,对高低墩大跨连续刚构桥进行分析,提高设计人员对此类桥型的认识。

1 工程背景

某山区高速公路采用双向四车道布置,半幅桥面总宽为12.25 m,设计速度为80 km/h,设计荷载为公路-Ⅰ级,地震动峰值加速度为0.05 g。为跨越沟谷,经桥型方案研究后,主桥采用(117+220+117) m大跨连续刚构桥方案,边中跨比为0.53,在合理范围内,引桥采用40 m常规预制T梁。沟谷陡峭,主墩高度分别为78 m和156 m,具有典型的高低墩特征。本次设计桥墩分别选择双肢薄壁墩和双肢薄壁-箱型组合墩。主梁采用单箱单室现浇箱梁形式,墩顶截面高13.5 m,跨中截面高4.5 m,梁高和底板厚度变化采用1.6次抛物线形式,顶板厚度为30 cm,腹板厚度采用三次渐变形式,依次由90 cm调整至60 cm。主梁和主墩均采用C55混凝土。该桥桥型布置图如图1所示。

图1 连续刚构桥桥型布置图(cm)

2 桥墩选型分析

大跨度连续刚构主墩设计非常关键。一般而言,主墩型式包括:独柱空心墩、双肢薄壁墩和双肢薄壁-箱型组合墩等,合理选择桥墩型式能够使主梁受力处于较优状态,同时也影响桩基工程量。3种墩型中,独柱空心墩对于墩高的适应范围较广。此处在本设计墩型的基础上,对比主墩若选择为独柱空心墩型式,分析大跨连续刚构桥受力差异。由于墩高较高,独柱空心墩采用箱型墩形式,箱型墩截面如图2所示,其中短边为横桥向,对于双肢薄壁-箱型组合墩而言,主墩上部双肢薄壁部分与两侧小箱室尺寸一致,双肢薄壁中心距为9.5 m。

图2 箱型墩结构尺寸图(cm)

基于Midas Civil软件,采用梁单元考虑施工过程,分别建立本设计和独柱箱型墩两种墩型下的有限元模型,如图3所示。

(a)本设计

经计算分析:标准组合下,对于本设计而言,主墩桩顶反力分别为258 820.3 kN和379 208.3 kN;对于独柱箱型墩而言,主墩桩顶反力分别为290 288.3 kN和411 581.4 kN,原设计相比于独柱箱型墩桩顶反力减少12.2%和8.5%,有利于节约桩基工程量。提取基本组合下主墩墩顶、1/4截面、跨中截面和3/4截面弯矩进行分析,如图4所示。

图4 两种墩型主跨关键截面弯矩对比曲线图

两种墩型对于主跨跨中、1/4截面和3/4截面弯矩影响不大,主要影响主墩墩顶弯矩,采用本设计主墩型式,主墩墩顶弯矩分别降低10.3%和16.5%,桥墩越高采用双肢薄壁-箱型组合墩墩顶弯矩较独柱箱型墩减少较多。综合考虑桩基材料和主梁内力情况,采用本设计墩型能够节约投资。

3 高低墩参数分析

3.1 高低墩与等高墩主梁内力差异分析

为了研究高低墩大跨连续刚构桥与等高墩大跨连续刚构桥受力的差异,分别取本设计高低墩墩高、等低墩墩高和等高墩墩高3种情形进行分析,墩高影响抗推刚度,主要影响收缩徐变内力和系统温度内力,对温度梯度内力基本没影响,计算得到主跨关键截面收缩徐变弯矩和系统升温(系统降温规律一致)弯矩分别如图5和图6所示,其中收缩徐变定义为10年,系统升温为25 ℃。

图5 本设计与等墩高收缩徐变弯矩对比曲线图

图6 本设计与等墩高系统升温弯矩对比曲线图

计算结果表明:

(1)当墩高整体较低时,即等低墩墩高状态下,主梁关键截面收缩徐变弯矩和系统温度弯矩均较小。

(2)就收缩徐变引起的主梁弯矩而言,由于基本组合下主墩墩顶处存在较大的负弯矩,因此收缩徐变弯矩为正值时有利于弯矩控制。3种状态下收缩徐变均为正值,对于结构设计有利。等高墩墩高状态收缩徐变弯矩整体大于等低墩墩高。高低墩状态下低墩墩顶收缩徐变弯矩最小,高墩墩顶收缩徐变弯矩最大。

(3)就系统升温引起的主梁弯矩而言,等低墩墩高和等高墩墩高两种状态下关键截面整体规律基本一致。高低墩状态下低墩墩顶和高墩墩顶截面弯矩差值明显增大,表明高低墩由于主墩抗推刚度发生改变后造成水平荷载发生重分布,使结构受力较等墩墩高状态更为不利。

3.2 高低墩墩高差对主梁内力影响分析

在本设计高低墩墩高的基础上,逐渐增大墩高差,进一步研究墩高差对大跨连续刚构桥受力的影响。此处保持156 m高墩墩高不变,使低墩由78 m分别降至58 m、38 m和18 m,保持主墩截面形状不变,分别得到关键截面收缩徐变弯矩和温度梯度弯矩如图7和图8所示。

图7 不同低墩墩高收缩徐变弯矩对比曲线图

图8 不同低墩墩高系统升温弯矩对比曲线图

由图7～8计算结果表明:低墩墩高在由本设计78 m降低至38 m的过程中,低墩墩顶收缩徐变弯矩逐渐降低,高墩墩顶收缩徐变弯矩逐渐增大,低墩和高墩墩顶系统升温弯矩逐渐增大;当低墩墩高降至18 m时,低墩墩顶收缩徐变和系统升温弯矩变化趋势正好相反,即收缩徐变弯矩突然增大,系统升温弯矩突然减小,而高墩墩顶收缩徐变和系统温度弯矩变化趋势不变。建议山区高速公路高低墩大跨连续刚构桥在设计时低墩墩高应控制在合理范围内,不宜过小。

4 结语

本文以某山区高速公路(117+220+117) m高低墩大跨连续刚构桥为研究对象,基于Midas Civil软件探讨了桥墩型式和高低墩参数对主梁受力的影响,得出主要结论如下:

(1)本设计连续刚构低墩和高墩所分别选用的双肢薄壁墩和双肢薄壁-箱型组合墩桥墩型式相对合理,主梁受力较好,同时节约桩基造价。

(2)大跨连续刚构桥高低墩相比于主墩等高而言,高墩墩顶收缩徐变正弯矩较大,系统升温负弯矩较大。当高低墩墩高在一定范围内相差越大时,低墩墩顶收缩徐变弯矩越小,高墩墩顶收缩徐变弯矩越大,低墩和高墩墩顶系统升温弯矩数值也越大。山区高速公路大跨连续刚构桥设计时应避免使主墩墩高差距过大,当墩高悬殊时应通过结构验算进行合理配束和施工控制。