高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力影響因素分析研究

■馬勤

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京210017）

高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力影響因素分析研究

■馬勤

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京210017）

影響高墩大跨徑變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力的因素很多，本文僅從風(fēng)荷載、主墩高度和主墩截面類型等方面研究分析它們對高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)梁的受力影響，為今后的高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計提供一定的參考價值。

高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁風(fēng)荷載主墩高度主墩截面類型

1 高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁的特點(diǎn)

在山區(qū)高速公路中為了跨越溝壑，常常需要大跨徑的橋梁來實(shí)現(xiàn)，由于地形的限制，橋梁墩高高低不一，從幾米到幾十米甚至上百米均有。為了滿足大跨徑高墩的要求，在山區(qū)高速公路中常常采用高墩大跨徑變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁。高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁具有抗彎、抗扭剛度大，整體性和連續(xù)性好，造價低和施工方法成熟等優(yōu)點(diǎn)。

近些年來，隨著山區(qū)高速公路的發(fā)展，變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁被廣泛應(yīng)用到高墩大跨徑的橋梁中。高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋與其他橋梁相比其結(jié)構(gòu)具有墩、梁、基礎(chǔ)三者固結(jié)聯(lián)為一體共同受力的特點(diǎn)。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）施工時無體系轉(zhuǎn)換。因無體系轉(zhuǎn)換，故在施工階段，可避免設(shè)置臨時支座，施工穩(wěn)定性好，可采用不平衡長度懸臂澆筑，減少或避免邊跨梁端灌注支架。

（2）主墩無支座。連續(xù)剛構(gòu)省去了主墩大噸位支座，避免了后期更換支座，有利于養(yǎng)護(hù)維修。

（3）上部結(jié)構(gòu)僅有兩條伸縮縫，行車舒服性好。

（4）由于順橋向抗彎剛度大，橫橋向抗扭剛度大，能滿足特大橋梁跨徑的受力要求。

（5）順橋向抗推剛度小，因此能有效的減小溫度、混凝土收縮徐變和地震等作用力的影響。

2 高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力影響因素分析研究

影響高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)梁受力的因素有很多，諸如橋梁布置的邊跨比、梁高、腹板厚度、主墩高度和主墩截面形式等。本文主要從主墩高度、主墩截面及風(fēng)荷載等三個方面分別研究分析它們對變截面連續(xù)梁內(nèi)力的影響。

2.1 計算模型

本文上部采用跨徑為（85+160+85）m變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁作為研究對象，計算程序采用橋梁博士V3.2.0，計算模型如圖1所示。圖1（a）中，支點(diǎn)A、B采用鉸接，支點(diǎn)C、D采用固定支座，E、F采用剛接。主梁橋面寬12.25m，邊支點(diǎn)及跨中梁高3.6m，墩頂梁高10m，如圖1（b）、（c）所示。

圖1 計算模型

2.2 主墩截面形式影響

連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩常做成橫截面為空心或?qū)嵭牡摹耙弧弊中危癐”形、箱形鋼筋混凝土薄壁墩，最常用的是雙薄壁墩和單薄壁墩。本文采用在高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋中常用的兩種截面形式進(jìn)行對比研究分析，不同主墩截面形式對主梁內(nèi)力的影響。如圖2所示，模型1主墩截面采用B×H×t=6.75m×5m×0.6m的箱墩，模型2主墩截面采用B×H×t=8.25m×2.5m×6m的雙矩形墩，在上部梁結(jié)構(gòu)線性、受力荷載相同的情況下，對比主墩高度均為50m時，兩種主墩截面類型對主梁受力的影響，計算模型如圖1所示。

圖2 主墩截面

經(jīng)計算，主梁受力情況對比如表1～3所示。

表1 主梁主應(yīng)力

表2 主梁正應(yīng)力

表3 主梁強(qiáng)度

由表1～3可得到如下結(jié)論：（1）雙肢矩形截面墩的主應(yīng)力、正應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)于箱墩截面，且墩頂最大應(yīng)力出現(xiàn)削峰現(xiàn)象；（2）雙矩形墩的邊跨正彎矩及墩頂負(fù)彎矩均小于箱墩，但主跨跨中最大正彎矩大于箱墩。可以看出雙肢矩形截面墩對減少墩頂負(fù)彎矩作用明顯，主要是因?yàn)殡p肢體截面對墩頂截面有削峰作用。故當(dāng)墩高不是很高時采用此種截面比較有利于主梁受力。

2.3 主墩高度影響

變截面連續(xù)梁有兩種，一種是變截面連續(xù)鉸接，即在主墩與主梁之間采用大噸位的支座連接；另一種是變截面連續(xù)剛構(gòu)梁，即在主墩與主梁間取消支座改為固結(jié)。這兩種梁各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)，兩種變截面梁的選取原則之一就是墩高的影響。為了研究主墩高度對變截面連續(xù)剛構(gòu)梁的內(nèi)力影響，合理選擇變截面連續(xù)梁的形式，本文在上部梁結(jié)構(gòu)線性、受力荷載、主墩截面相同的情況下，對比不同主墩高度對主梁受力的影響。計算模型如圖1所示。在不計入風(fēng)載和制動力的作用下，主墩截面采用薄壁箱墩，墩截面B×H×t=8.25m×6.5m×0.9m，如圖2所示。主墩高度分別取30m、50m、70m、90m和100m，經(jīng)過計算，主梁受力情況對比如表4～6所示。

表4 主梁主應(yīng)力

表5 主梁正應(yīng)力

表6 主梁強(qiáng)度

由表4～6可得到如下結(jié)論：（1）當(dāng)墩身截面相同時，隨著墩高的增加，墩身抗推剛度逐漸變小，最大主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力、主梁正應(yīng)力也變小，說明墩身抗推剛度越小應(yīng)力狀態(tài)越好；（2）墩身截面一樣時，隨著墩高的增加邊跨正彎矩及支點(diǎn)負(fù)彎矩變小，而跨中正彎矩變大。一般來說連續(xù)剛構(gòu)的控制彎矩多發(fā)生在墩頂負(fù)彎矩處，故從減少墩頂負(fù)彎矩出發(fā)，一般應(yīng)選擇較小墩身剛度。同時也說明矮墩一般不宜固結(jié)，故在墩高不高的情況下，我們可以采用主墩與主梁之間用支座連接的形式。而在墩高超過50m以上時，應(yīng)采取變截面連續(xù)剛構(gòu)梁形式。

2.4 主墩截面影響

在上部梁結(jié)構(gòu)線性相同的情況下，采用箱墩截面，且橋墩截面尺寸隨著墩高變化而變化，在不計風(fēng)荷載和制動力情況下，不同墩高下主梁內(nèi)力變化經(jīng)計算如表7～9所示。

表7 主梁主應(yīng)力

表8 主梁正應(yīng)力

表9 主梁強(qiáng)度

由表7～9可得到如下結(jié)論：（1）墩身截面按實(shí)際截面選取不計入水平荷載時，主應(yīng)力隨墩高的變化不大，其中最不利主應(yīng)力狀態(tài)的墩高是30m，其次是100m。說明矮墩不宜剛接，墩高過高時剛接的作用也受到限制。（2）墩身截面按實(shí)際截面選取不計入水平荷載時，截面上下緣最小正應(yīng)力隨墩高變大而變大，50～90m墩高時，截面上緣最大正應(yīng)力隨墩高變大而變小，受力狀態(tài)得到改善。30m墩高應(yīng)力狀態(tài)最差，說明矮墩不宜剛接，剛接時應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化配束。（3）當(dāng)墩身按照實(shí)際截面選取時，在不計水平力風(fēng)荷載和制動力時，50～90m間邊跨最大正彎矩隨墩高的增加而減少，墩頂負(fù)彎矩增大，跨中正彎矩減少。墩身截面會影響到主梁彎矩的變化，對30～70m墩，墩截面面積減少，墩的抗推慣性矩變小，故邊跨正彎矩及墩頂負(fù)彎矩值變小，而跨中正彎矩變大，印證上面的結(jié)論。另30m墩高的內(nèi)力較大，近一步說明矮墩不宜剛構(gòu)。

2.5 風(fēng)荷載及制動力影響

高墩大跨徑橋梁往往受到風(fēng)荷載，且風(fēng)荷載的作用影響比較大，因此在設(shè)計高墩大跨徑變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁時，還應(yīng)考慮風(fēng)荷載的作用。在上部梁結(jié)構(gòu)線性相同的情況下，對比采用不同的主墩截面及不同主墩高度，在計入風(fēng)荷載作用下對主梁受力的影響。主墩高度分別為30m、50m、70m、90m和100m，主墩截面均采用箱墩，截面如圖2所示。經(jīng)計算，主梁受力情況對比如表10～12所示。

表10 主梁主應(yīng)力

表11 主梁正應(yīng)力

表12 主梁強(qiáng)度

由表10～12可得到如下結(jié)論：（1）墩身截面按實(shí)際截面選取且計入水平荷載時，主應(yīng)力隨墩高的變化不大，其中最不利主應(yīng)力狀態(tài)的墩高是30m，其次是100m。說明矮墩不宜剛接，墩高過高時剛接的作用也收到限制。當(dāng)計入主梁制動力、風(fēng)荷載及墩風(fēng)荷載時上部主梁應(yīng)力將比未計入時不利；（2）墩身截面按實(shí)際截面選取且計入水平荷載時，截面上下緣最小正應(yīng)力隨墩高變大而變大，受力狀態(tài)得到改善。其中30m墩高應(yīng)力狀態(tài)最差，說明矮墩不宜剛接，剛接時應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化配束。當(dāng)計入主梁制動力、風(fēng)荷載及墩風(fēng)荷載時上部主梁應(yīng)力將比未計入時不利。（3）當(dāng)墩身按照實(shí)際截面選取時，并計入水平力風(fēng)荷載和制動力時，50～100m間邊跨最大正彎矩隨墩高的增大而增大，墩頂負(fù)彎矩增大，跨中正彎矩減小。計入水平力后主梁的邊跨正彎矩及墩頂負(fù)彎矩變大，但跨中正彎矩變小。30m墩高下主梁內(nèi)力的突變也表明矮墩不宜固結(jié)。

3 結(jié)論

由此可見，主墩截面形式、主墩高度和風(fēng)荷載等都會影響到高墩大跨變截面連續(xù)梁的受力狀態(tài)。從以上模型計算，得到如下結(jié)論：

（1）主墩截面形式及截面剛度影響變截面連續(xù)箱梁的內(nèi)力，主墩縱橋向剛度在滿足橋梁施工、運(yùn)行穩(wěn)定的前提小要盡量小，在橫橋向的剛度應(yīng)大一些。由于高墩大跨變截面連續(xù)剛構(gòu)橋的墩、梁、基礎(chǔ)三者固結(jié)聯(lián)為一體共同受力，結(jié)構(gòu)內(nèi)力是按照橋墩與連續(xù)梁的剛度比來分配的。縱橋向，橋墩的剛度大則分得的內(nèi)力大，不能有效的發(fā)揮梁自身的抗彎能力，而連續(xù)梁在墩頂處的受力很大，達(dá)不到降低墩頂負(fù)彎矩的目的，故主墩截面剛度在縱橋向要小。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在橫向的約束很弱，橋梁在橫向不平衡荷載或者風(fēng)荷載作用下，容易產(chǎn)生扭曲、變位，故故主墩截面剛度在橫橋向應(yīng)大一些。

（2）并不是所有墩高都適合用變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁，矮墩采用變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁主梁受力反而不利。建議墩高大于50m以上用變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，墩高小于30時采用變截面連續(xù)箱梁更合適。墩高也不能無限大，總體布跨時可以將墩高控制在100m以內(nèi)有利于變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁的受力。

（3）風(fēng)荷載在高墩大跨徑橋梁中的作用不容忽略，在計算設(shè)計變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁時，應(yīng)考慮作用在主墩及主梁上的風(fēng)荷載

影響變截面剛構(gòu)連續(xù)梁內(nèi)力的因素很多，在設(shè)計時，我們應(yīng)綜合考慮各影響因素，選擇合適的主梁和主墩截面形式，布跨方案，使橋梁方案更加合理化，主梁與主墩受力更加協(xié)調(diào)化，充分發(fā)揮它們各自的作用。

[1]廖朝華，等.公路橋涵設(shè)計手冊——墩臺與基礎(chǔ)（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京：人民交通出版社，2001.9.