異型橋墩計算分析

張樹清

（1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

1 工程概況

徐村秋浦河特大橋平面位于K10+630～K10+636.239（緩和曲線）橫坡由-1.79%，變化到-2.0%，其余范圍內（圓曲線半徑為1 350 m）橫坡為單向坡2.0%。主橋采用左右幅不對稱系桿拱，系桿拱橋系梁、橫梁及下部橋墩均按照單向坡2.0%設計，橫坡變化段橫橋向高差通過橋面鋪裝（現(xiàn)澆防水混凝土）調整。系桿拱橋采用斜橋正做，護欄線形與路線線形變化保持一致。系桿（縱梁）采用直線梁，橫梁也采用直線梁，由于系桿拱橋采用以直包曲，導致路線設計中心線與系桿拱橋中心線不在一條直線上，路線中心線與橋梁中心線存在一定夾角（夾角不斷變化），梁端線與路線法線方向存在一定夾角。下部結構采用2.5 m×2.5 m矩形橋墩接單懸臂蓋梁及2.5 m×2.5 m矩形橋墩接雙懸臂蓋梁；雙懸臂蓋梁端部尺寸均為0.95 m×2.2 m，根部尺寸均為1.8 m×2.2 m，懸臂蓋梁內設置桿內設有2束Фs15.2-6鋼絞線，每束錨下張拉應力為1395 MPa；矩形墩柱下設承臺，承臺高3.0 m，承臺接群樁基礎，樁基直徑為1.6 m鉆孔灌注樁基礎，樁基按端承樁設計。詳見圖1～圖3。

2 材料參數(shù)

圖1 橋型總體布置圖（單位：m）

圖2 橋墩構造圖（單位：m）

圖3 支座平面布置圖（單位：m）

橋墩采用C40混凝土，彈性模量Ec=3.25×104MPa，泊松比vc=0.2，溫度線膨脹系數(shù)為0.000 01，軸心抗壓強度標準值fck=26.8 MPa、抗拉強度標準值ftk=2.4 MPa，軸心抗壓強度設計值fcd=18.4 MPa，抗拉強度設計ftd=1.65 MPa[1]。

3 計算荷載

系桿拱采用的獨柱式橋墩雙懸臂蓋梁，須對其靜力強度進行驗算，驗算時要根據(jù)當?shù)剀嚵髁繉嶋H情況，充分考慮活載偏載效應，并采用空間模型進行驗算。大跨度橋梁過渡墩，由于主引橋支反力差異較大，且左右幅錯孔不對稱，兩側支座不能對稱布置于橋墩中心線兩側。支座在過渡墩墩頂布置必須考慮橋墩偏心影響（見圖4）：

（1）墩頂應能布置雙排支座，滿足支座墊石空間要求；

（2）橋梁伸縮縫中心線距橋墩中心線距離即為橋墩偏心距；

（3）橋墩偏心應滿足如下要求：

顯然支反力F1小的一側力臂X1較大，支反力F2大的一側力臂X2較小。

圖4 過渡墩受力示意圖

為保持兩側彎矩平衡，就需把橋墩中心往支反力大的一側偏移，由于伸縮縫中心線（里程樁號）不會改變，橋墩中心線與伸縮縫中心線產生一個距離X3，這個距離就是橋墩偏心距。往往有些大跨橋梁過渡墩未考慮偏心，或者偏心距設置不當，造成橋墩承受較大彎矩，久而久之橋墩開裂破壞。系桿拱全橋整體模型采用MIDAS有限元軟件計算，荷載選取由整體計算得出的最大支反力。

3.1 蓋梁斜截面計算

取截面剪力2 700 kN作為控制截面進行配筋設計，蓋梁采用C40混凝土，蓋梁懸臂端自重192.8 kN，剪力合計Vd=2 700+192.8=2 892.7 kN，γo=1。

驗算截面尺寸：

截面滿足要求。

驗算是否需要計算配置箍筋：

小于剪力2 892.7 kN。

需要進行配箍計算。

3.2 斜截面抗剪承載力計算

配置箍筋直徑16 mm，間距100 mm。

斜截面內混凝土和箍筋共同得抗剪承載力設計值大于剪力2 892.7 kN。

滿足要求。

4 計算模型

4.1 有限元

主橋為異型橋梁，左右幅不對稱，橫橋向過渡墩左右幅支反力不平衡，縱橋向主引橋支反力不平衡，橫橋向、縱橋向均存在偏心，橋墩存在軸力、剪力、彎矩、扭矩等，結構受力復雜，平面桿系結構不能很好反映橋墩結構空間受力狀態(tài)，建立橋墩三維空間結構模型，模擬橋墩在最大支反力作用下下靜力響應（見圖5）。比較蓋梁設置預應力和不設置預應力。

圖5 橋墩有限元模型圖

4.2 邊界條件

為了盡量保證模型邊界條件與實際結構近似的同時，對無法準確模擬的邊界條件按偏于安全處理[2，3]。根據(jù)平面桿系模型計算結果，提取結構位移邊界條件和力的邊界條件加在模型上[4，5]。

4.3 結果分析

通過有限元分析，得到蓋梁頂、底面應力分布，采用ANSYS路徑數(shù)據(jù)處理技術，繪制出頂、底板應力曲線圖，見圖6～圖9，其中負值為壓應力，正值為拉應力。對應力曲線，進行積分運算求出應力曲線面積，用應力曲線面積除以蓋梁長度，得到相似按初等梁理論求得的應力平均值。

圖6 蓋梁上緣主拉應力

圖7 蓋梁上緣主壓應力

圖8 蓋梁下緣主拉應力

圖9 蓋梁下緣主壓應力

從圖6～圖9，可以看出：

（1）蓋梁頂緣主拉應力：蓋梁不設置預應力情況下頂緣最大拉應力5.81 MPa；蓋梁設置預應力后頂緣最大拉應力2.62 MPa；圖6應力曲線表明，設置蓋梁預應力可以顯著降低頂緣拉應力幅值，張拉預應力后蓋梁頂緣的拉應力由配置的普通鋼筋承擔；

（2）蓋梁頂緣主壓應力：蓋梁不設置預應力情況下頂緣最大壓應力-3.4 MPa；蓋梁設置預應力后頂緣最大壓應力-4.9 MPa；圖7應力曲線表明，設置蓋梁預應力蓋梁懸臂邊緣壓應力有較大提升；

（3）蓋梁下緣主拉應力：蓋梁不設置預應力情況下頂緣最大拉應力0.076 1 MPa；蓋梁設置預應力后頂緣最大拉應力1.05 MPa；圖8應力曲線表明，設置蓋梁預應力蓋梁底緣會產生部分拉應力，拉應力較小，這部分拉應力由普通鋼筋承擔；

（4）蓋梁下緣主壓應力：蓋梁不設置預應力情況下頂緣最大壓應力-10.4 MPa；蓋梁設置預應力后頂緣最大壓應力-8.37 MPa；圖9應力曲線表明，設置蓋梁預應力蓋梁底緣壓應力減小；

5 處理措施

多方案計算研究，證明大懸臂蓋梁須張拉部分預應力，以消除蓋梁頂緣產生的較大拉應力；同時預應力有不能張拉太多，否者蓋梁底緣也會產生較大拉應力。為了達到一個平衡，完全消除按全預應力配置設計蓋梁不合適，因此，采用按部分預應力設計蓋梁，允許蓋梁出現(xiàn)較小的拉應力，這部分拉應力由普通鋼筋承擔。在蓋梁頂緣配置2根Φs15.2-6預應力，待混凝土強度達到設計強度后張拉，張拉控制應力0.75 fpk，即單根張拉力約為1 757.7 kN。

6 結 語

經該方案處理后蓋梁頂、底緣受力更合理；避免蓋梁頂緣混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。蓋梁頂?shù)拙墤錆M足規(guī)范要求。通過對大懸臂蓋梁平面、空間分析，解決了大懸臂蓋梁頂緣受力不合理問題，同時避免了，張拉過多預應力造成蓋梁底緣開裂。