矮墩四跨連續(xù)剛構(gòu)受力性能優(yōu)化參數(shù)化研究

劉夢麟，毛立敏，梁 才

（廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)體系梁橋以其結(jié)構(gòu)剛度大、行車平穩(wěn)舒適、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等眾多優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用，成為最常見的一種橋型。

按結(jié)構(gòu)體系劃分，多孔大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)體系梁橋主要采用連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)和剛構(gòu)－連續(xù)組合體系，三種結(jié)構(gòu)體系各有優(yōu)劣。連續(xù)梁在懸臂施工過程中需設(shè)置墩梁臨時固結(jié)措施，成橋后需在主墩設(shè)置大噸位的支座；連續(xù)剛構(gòu)可避免采用臨時固結(jié)措施及大型支座但受混凝土收縮徐變和環(huán)境溫度變化影響較大，一般適用于主墩較高的情況；剛構(gòu)－連續(xù)組合體系的受力性能及經(jīng)濟(jì)性介于連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)之間。

本文以廣西某高速公路跨江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢τ绊戇B續(xù)剛構(gòu)體系結(jié)構(gòu)受力的控制變量進(jìn)行了參數(shù)化分析，以得到本橋結(jié)構(gòu)受力相對較優(yōu)的連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)方案。具體情況介紹如下：

1 項(xiàng)目概況

某大橋主橋跨徑布置為80m＋2×125m＋75m，兩個邊跨不對稱布置（見圖1）。主梁采用單箱雙室箱梁，箱梁頂板寬度為22.5m；墩頂根部梁高7.5m，中跨跨中及梁端梁高2.8m。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，采用掛籃懸臂澆筑施工。

主橋橋墩基礎(chǔ)為承臺接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。考慮到施工期間水位較高，水深接近20m，若將承臺埋置于河床以下，施工難度較大，施工措施費(fèi)用較高。為節(jié)省施工成本，本橋采用高樁承臺的形式，利用鋼套箱圍堰施工主墩承臺。主墩墩高約17m，為主跨跨度的1／7.35，屬于矮墩的范疇。

圖1 主橋橋型布置圖（m）

2 連續(xù)剛構(gòu)體系受力控制變量參數(shù)化分析

鑒于連續(xù)剛構(gòu)可避免采用大噸位支座等諸多優(yōu)點(diǎn)，大跨度梁橋設(shè)計(jì)往往優(yōu)先考慮采用該結(jié)構(gòu)體系。由于本橋主墩高度較矮，混凝土收縮徐變和環(huán)境整體溫度作用對結(jié)構(gòu)受力（尤其是橋墩、樁基等下部結(jié)構(gòu)受力）的不利影響尤為顯著。所以，本文對影響橋梁結(jié)構(gòu)受力的各種控制變量進(jìn)行了參數(shù)化分析，以求得到相對較優(yōu)的連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.1 參數(shù)化分析總體控制及有限元分析模型

影響連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力的控制參數(shù)主要有以下幾種：承臺頂標(biāo)高（即橋墩高度和樁長）、樁基偏心、承臺形式、主梁合龍順序、主梁預(yù)頂力等。本文利用Midas Civil空間有限元軟件，建立了全橋整體計(jì)算有限元模型。根據(jù)橋墩形式的不同（雙肢薄壁墩、空心薄壁墩），分為兩種計(jì)算模型，如圖2～3所示。

圖2 全橋整體計(jì)算FE模型一（空心薄壁墩）示意圖

圖3 全橋整體計(jì)算FE模型二（雙肢薄壁墩）示意圖

針對不同的分析控制參數(shù)，采用不同的計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬。參數(shù)化分析總體控制表見表1～2。

表1 參數(shù)化分析總體控制表（FE模型一）

表2 參數(shù)化分析總體控制表（FE模型二）

2.2 承臺頂標(biāo)高對結(jié)構(gòu)受力的影響

圖4～5為根據(jù)不同的承臺頂標(biāo)高計(jì)算得到的橋墩彎矩及樁頂軸力結(jié)果圖形。

圖4 不同承臺頂標(biāo)高對應(yīng)的橋墩彎矩關(guān)系示意圖

圖5 不同承臺頂標(biāo)高對應(yīng)的樁基頂部軸力關(guān)系示意圖

由表3可知，對于高樁承臺的下構(gòu)形式，由于樁基順橋向整體抗彎剛度遠(yuǎn)大于橋墩，當(dāng)承臺頂標(biāo)高提高，樁長加長，下部結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度實(shí)質(zhì)減小，整體結(jié)構(gòu)“變?nèi)帷?。因此出現(xiàn)圖4、圖5所揭示的現(xiàn)象：隨著承臺頂標(biāo)高的提高（即橋墩長度減小、自由樁長加長），連續(xù)剛構(gòu)各主墩墩頂墩底最大彎矩、樁基頂部最大軸力均呈下降的趨勢；橋墩受力逐漸趨于小偏心受壓，對壓彎強(qiáng)度及裂縫寬度控制驗(yàn)算有利；而樁基由于軸壓力減小，結(jié)構(gòu)受力逐漸趨于大偏心受壓，對樁基壓彎強(qiáng)度及裂縫寬度控制驗(yàn)算反而不利。

表3 橋墩及樁基順橋向抗彎剛度計(jì)算結(jié)果表

2.3 樁基偏心對結(jié)構(gòu)受力的影響

9＃和11＃橋墩由于墩底存在較大的順橋向彎矩，導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)樁基受力存在較大的不均勻性：內(nèi)側(cè)（靠近中跨側(cè)）樁基頂部軸力比外側(cè)大得多。

這種不均勻性，可以通過適當(dāng)設(shè)置樁基偏心進(jìn)行調(diào)整。如圖6所示，本文計(jì)算分析了9＃和11＃橋墩“樁基外偏1.5m”“樁基不偏心”和“樁基內(nèi)偏1.5m”等情況。

圖6 9＃和11＃橋墩樁基偏心示意圖

根據(jù)分析結(jié)果，當(dāng)9＃和11＃橋墩樁基往內(nèi)側(cè)偏心時，9＃和11＃橋墩內(nèi)側(cè)樁基樁頂軸力逐漸減小，外側(cè)樁基樁頂軸力逐漸增大；反之亦然。適當(dāng)?shù)臉痘鶅?nèi)偏心可以減小內(nèi)外側(cè)樁基軸力差，可通過反復(fù)迭代計(jì)算得到樁基最優(yōu)偏心值，使得樁基受力均勻（見圖7）。

2.4 承臺形式對結(jié)構(gòu)受力的影響

當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)橋主墩考慮采用雙肢薄壁墩時，本文對承臺形式的選擇進(jìn)行了受力分析研究?？傮w而言，承臺有整體式和分離式兩種形式，如圖8所示。

如采用分離式承臺，相當(dāng)于增加了橋梁下部結(jié)構(gòu)的整體自由長度，提高了結(jié)構(gòu)柔度。從圖9可以看出，9＃～11＃橋墩墩頂、墩底的彎矩包絡(luò)值均比采用整體式承臺時小。墩底彎矩最多下降93.9%；墩頂彎矩最多下降47%。

需要指出的是，雖然采用分離式承臺可以減小橋墩彎矩，但是需同時關(guān)注下構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及防止船舶撞擊的能力。

圖7 外側(cè)橋墩（9＃、11＃）樁基偏心對樁頂軸力的影響示意圖

圖8 承臺形式及其對應(yīng)的下構(gòu)彎矩包絡(luò)圖

圖9 承臺形式對橋墩彎矩的影響示意圖

2.5 主梁合龍順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力的影響（見圖10）

本橋兩個邊跨不對稱，考慮到盡可能減小邊跨現(xiàn)澆支架長度以節(jié)省項(xiàng)目投資，第8跨比中跨多兩個懸澆節(jié)段，第11跨比中跨多一個懸澆節(jié)段。對比分析兩種合龍施工工序：

（1）先中跨合龍：

T構(gòu)對稱懸澆至第15個節(jié)段→中跨合龍→中跨壓重，不對稱懸澆邊跨（第8、11跨）節(jié)段→邊跨合龍。

（2）先邊跨合龍：

T構(gòu)對稱懸澆至第15個節(jié)段→中跨壓重，不對稱懸澆邊跨（第8、11跨）節(jié)段→邊跨合龍→中跨合龍。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主梁合龍順序?qū)蚨諒澗氐挠绊懖淮?。本橋如采用先邊跨合龍，橋墩墩頂彎矩包絡(luò)值會比采用先中跨合龍略微減小，最大減小約6.8%。

圖10 主梁合攏順序?qū)蚨諒澗氐挠绊懯疽鈭D

需注意的是，本橋如考慮盡量減小邊跨現(xiàn)澆支架長度并采用先邊跨合龍的方案，則需要中跨壓重、不對稱懸澆邊跨節(jié)段，施工風(fēng)險(xiǎn)相對較高同時加大了施工監(jiān)控的難度。

2.6 主梁預(yù)頂力對結(jié)構(gòu)受力的影響

連續(xù)剛構(gòu)橋是多次超靜定體系，在成橋狀態(tài)下由于混凝土收縮徐變、溫度作用等影響，主梁縱向長度會產(chǎn)生變化，主墩發(fā)生偏移，在主墩內(nèi)產(chǎn)生較大的次內(nèi)力。運(yùn)營階段，橋梁下構(gòu)基本組合彎矩包絡(luò)圖見圖11。

圖11 運(yùn)營階段，橋梁下構(gòu)彎矩包絡(luò)圖（邊墩）

為了消除這種不利影響，可在邊跨合龍形成單懸臂體系后，在中跨合龍段兩側(cè)對主梁梁體進(jìn)行預(yù)頂推，給主墩施加反向作用。中跨合龍前的主梁預(yù)頂力產(chǎn)生的全橋位移及橋梁下構(gòu)彎矩見圖12～13。

圖12 主梁預(yù)頂力產(chǎn)生的全橋位移圖

圖13 主梁預(yù)頂力產(chǎn)生的橋梁下構(gòu)彎矩圖（邊墩）

本文計(jì)算分析了不同主梁預(yù)頂力（0t、250t、500t）對結(jié)構(gòu)受力的影響（見圖14）。根據(jù)分析結(jié)果，在中跨合龍前，給主梁施加適當(dāng)?shù)念A(yù)頂力可以減小邊墩及其樁基的最大彎矩設(shè)計(jì)值。對于采用分離式承臺的下構(gòu)而言，墩頂及樁底的最大彎矩設(shè)計(jì)值下降最為顯著：施加250t的預(yù)頂力，9＃墩墩頂和樁底最大彎矩設(shè)計(jì)值分別下降24.9%和23.9%。主梁預(yù)頂力對中墩（10＃橋墩）受力影響較小。

圖14 主梁預(yù)頂力對橋梁下構(gòu)設(shè)計(jì)彎矩值的影響示意圖

同時也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主梁預(yù)頂力過大時，對結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生不利的影響。如9＃橋墩，未施加主梁預(yù)頂力時，墩頂截面控制設(shè)計(jì)彎矩為負(fù)彎矩；施加過大的預(yù)頂力后，控制設(shè)計(jì)彎矩變?yōu)檩^大的正彎矩。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需充分計(jì)算分析，以得到最優(yōu)的主梁預(yù)頂力。

3 結(jié)語

通過以上分析，可得出下述結(jié)論：

（1）由于混凝土收縮徐變和環(huán)境溫度作用等影響，矮墩連續(xù)剛構(gòu)體系的橋墩及樁基受力一般較大，是連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素?？赏ㄟ^優(yōu)化承臺頂標(biāo)高、設(shè)置樁基偏心、優(yōu)化承臺形式、主梁合龍順序及施加主梁預(yù)頂力等方式，優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)的下構(gòu)受力以滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

（2）對于高樁承臺的下構(gòu)形式，需綜合考慮橋墩及樁基自由段對下構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)。本橋承臺頂標(biāo)高由72m提高到77m，下構(gòu)整體“變?nèi)帷?，可有效減小橋墩彎矩。

（3）由于邊墩墩底存在較大的順橋向彎矩，內(nèi)外側(cè)樁基受力不均勻，可通過適當(dāng)設(shè)置樁基偏心予以調(diào)節(jié)。

（4）與整體式承臺相比，采用分離式承臺的下構(gòu)形式可以極大地減小橋墩彎矩，但需同時關(guān)注下構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及防止船舶撞擊的能力。

（5）主梁合龍順序?qū)ο聵?gòu)受力影響不大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需充分考慮不同主梁合龍順序的施工難易程度和施工風(fēng)險(xiǎn)。

（6）施加適當(dāng)?shù)闹髁侯A(yù)頂力可以有效降低橋墩及樁基設(shè)計(jì)彎矩，然而過大的主梁預(yù)頂力可能會適得其反。

綜合考慮各種控制變量和實(shí)際工程情況，本橋連續(xù)剛構(gòu)體系結(jié)構(gòu)受力相對較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案如下：（1）承臺頂標(biāo)高為7 7.0m；（2）邊墩樁基適當(dāng)設(shè)置內(nèi)偏心；（3）采用分離式承臺，并設(shè)置相應(yīng)的橋墩防撞措施；（4）采用先邊跨合龍的施工方案且適當(dāng)進(jìn)行主梁預(yù)頂推。