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(duì)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(jì)提供一定的參考價(jià)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(jià)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(shí)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(shí)支座，施工穩(wěn)定性好，可采用不平衡長(zhǎng)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(gè)方面分別研究分析它們對(duì)變截面連續(xù)梁內(nèi)力的影響。

2.1 計(jì)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(duì)象，計(jì)算程序采用橋梁博士V3.2.0，計(jì)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(jì)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(duì)比研究分析，不同主墩截面形式對(duì)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(duì)比主墩高度均為50m時(shí)，兩種主墩截面類型對(duì)主梁受力的影響，計(jì)算模型如圖1所示。

圖2 主墩截面

經(jīng)計(jì)算，主梁受力情況對(duì)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(duì)減少墩頂負(fù)彎矩作用明顯，主要是因?yàn)殡p肢體截面對(duì)墩頂截面有削峰作用。故當(dāng)墩高不是很高時(shí)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(shì)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(duì)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(duì)比不同主墩高度對(duì)主梁受力的影響。計(jì)算模型如圖1所示。在不計(jì)入風(fēng)載和制動(dòng)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(jì)算，主梁受力情況對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(jì)風(fēng)荷載和制動(dòng)力情況下，不同墩高下主梁內(nèi)力變化經(jīng)計(jì)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(jì)入水平荷載時(shí)，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(shí)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(jì)入水平荷載時(shí)，截面上下緣最小正應(yīng)力隨墩高變大而變大，50～90m墩高時(shí)，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(shí)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(shí)，在不計(jì)水平力風(fēng)荷載和制動(dòng)力時(shí)，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(huì)影響到主梁彎矩的變化，對(duì)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(dòng)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(jì)高墩大跨徑變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁時(shí)，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(duì)比采用不同的主墩截面及不同主墩高度，在計(jì)入風(fēng)荷載作用下對(duì)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(jì)算，主梁受力情況對(duì)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(jì)入水平荷載時(shí)，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(shí)剛接的作用也收到限制。當(dāng)計(jì)入主梁制動(dòng)力、風(fēng)荷載及墩風(fēng)荷載時(shí)上部主梁應(yīng)力將比未計(jì)入時(shí)不利；（2）墩身截面按實(shí)際截面選取且計(jì)入水平荷載時(shí)，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(shí)應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化配束。當(dāng)計(jì)入主梁制動(dòng)力、風(fēng)荷載及墩風(fēng)荷載時(shí)上部主梁應(yīng)力將比未計(jì)入時(shí)不利。（3）當(dāng)墩身按照實(shí)際截面選取時(shí)，并計(jì)入水平力風(fēng)荷載和制動(dòng)力時(shí)，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(jì)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(huì)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)算設(shè)計(jì)變截面連續(xù)剛構(gòu)橋梁時(shí)，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(jì)時(shí)，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(jì)手冊(cè)——墩臺(tái)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.