高墩大跨連續剛構PC 梁橋風荷載靜力作用分析

周 武

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

0 前言

隨著公路交通事業的發展， 公路網絡覆蓋面越來越廣。高等級公路在山區越來越多的出現。山區高山峽谷較多， 為克服地表高差及高等級公路對線型和行車舒適性要求，高墩大跨度連續剛構橋因其跨越能力大，整體性能強、受力合理、施工方便、造價較斜拉橋、懸索橋少、養護方便等優點，越來越廣泛地被采用[1]。近年來，國內已建成多座高墩大跨連續剛構橋，其橋墩高度可達150m 以上，跨徑可達200 多m。部分高墩橋梁統計結果如表1 所示，墩高在110m 以下的橋墩一般采用雙肢薄壁空心墩，墩高在110m 以上的橋墩一般采用單肢/雙肢變截面薄壁空心墩。

表1 國內已建成具有代表性的高墩大跨連續剛構PC 梁橋

隨著橋墩高度增高， 橋墩上部及橋面的風速明顯增大， 作用在高墩大跨連續剛構橋上的風荷載效應也會大很多，這類橋對風荷載效應更加敏感。 因此，對高墩大跨連續剛構橋在施工階段和成橋運營階段進行風荷載作用效應分析尤為重要。

本文以某高速上的一座高墩大跨連續剛構PC 梁橋為研究對象，采用MIDAS/Civil 建立全橋桿系模型，對下部結構在施工階段和成橋運營階段， 分別進行風荷載靜力作用分析，研究結論可為類似工程提供參考。

1 工程概述

本橋是某高速上的一座特大型橋梁， 橋梁全長1620.5m，跨徑組合為3×40+(60+110+60)+2×40+(88+160+88)+4×40+11×30+4×40+5×40 m， 其中(60+110+60)m 和(88+160+88)m 采用變截面預應力混凝土連續剛構橋，30、40m 采用預應力混凝土連續T 梁。 本文選取(88+160+88)m 變截面預應力混凝土連續剛構橋為研究對象。 上部結構采用變截面預應力混凝土結構，單箱單室截面，跨中梁高3.5m，支點梁高9.5m，中間梁高為1.8 次拋物線規律變化。 箱梁頂寬13.0m， 箱梁底寬6.75m， 左右懸臂長各3.125m，箱梁跨中頂板厚28cm，截面腹板寬50cm，根部截面箱梁腹板寬95cm， 在第5、11、17 號節段線性過渡。中支點根部底板厚度120cm，跨中底板厚度32cm，中間底板厚度按1.8 次拋物線規律變化。

考慮橋墩滑模施工方便， 主墩及過渡墩均采用等截面型式。 主墩最大墩高89.2m，采用雙肢等截面空心薄壁墩，沿高度每隔30m 設置一道實心“H”型系梁，截面厚度為1m。墩厚縱橋向寬3.2m，橫橋向寬6.75m，壁厚0.95m。左右幅采用整體式橋臺，基礎采用6 根Φ2.5m 鉆孔灌注樁。 過渡墩采用等截面空心薄壁墩，空心墩厚3.5m，壁厚0.6m，基礎采用4 根Φ2.2m 的鉆孔灌注樁。

2 有限元模型

采用橋梁計算專業軟件MIDAS/Civil 建立空間桿系有限元計算模型，如圖3 所示。主梁及橋墩均用梁單元模擬，主梁共140 個單元，141 個節點；橋墩共128 個單元，130 個節點。 墩梁采用剛性連接，墩底固結。 按照設計要求，主梁采用C55 混凝土，橋墩采用C40 混凝土，承臺及樁基礎采用C30 混凝土。 設計荷載為公路-I 級，預應力鋼筋采用高強度低松馳17 絲捻制預應力鋼絞線，公稱直徑15.2mm，公稱面積139mm2，標準強度fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，1000h 后應力松馳率不大于2.5%， 預應力管道采用塑料波紋管成形， 管道摩擦系數u=0.17；管道偏差系數K=0.0015m；錨具變形和鋼束單端回縮量6mm。 其余設計參數均按《公路橋涵設計通用規范》[2]和《公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規范》[3]取值。

模型施工階段按實際施工順序劃分51 個施工階段。其中階段1 為下部結構施工； 階段2 為托架現澆0 號塊施工；階段3～44 為1～21 號塊懸臂掛籃施工，每個懸臂澆筑梁塊采用先在掛籃中澆筑混凝土， 待混凝土達到一定強度后張拉當前單元預應力鋼束，然后將掛籃前移，再澆筑下一階段混凝土。 階段45～47 為邊跨合攏施工， 階段48～49 為主跨合龍施工。 階段50 為成橋后二期鋪裝施工，階段51 為成橋后運營3650 天。

3 風荷載效應分析

(1)風荷載取值

圖1 主橋橋型布置圖 單位：cm

根據《公路橋梁抗風設計規范》[4]關于橋梁抗風計算按W1 風作用水平和W2 風作用水平確定。W1 風作用水平取值：①重現期10 年(即10 年超越概率65.1%)的設計風速； ②當按①確定的主梁上的風速值大于25 m/s 時，取25 m/s，風荷載可與汽車荷載及相關作用組合。 W2 風作用水平取值： ①重現期100 年 (即100 年超越概率63.2%)的設計風速，汽車荷載不參與荷載組合。 風荷載與其他作用組合時的分項系數、組合值系數按《公路橋梁抗風設計規范》第3.3.2 條規定取值。

圖2 主墩一般構造圖 單位：cm

圖3 主橋MIDAS/Civil 計算模型

(2)不同墩高風荷載效應分析

表2 列出了W2 風作用下不同墩高對應的風荷載效應值。隨著橋墩高度增加，橋梁基準高度Z 處的設計基準風速不斷增大， 主梁及橋墩處的等效靜陣風荷載也不斷增大，墩底彎矩呈現增大趨勢。 另一方面，隨著橋墩高度增加，橋墩剛度卻越柔，P-△效應越來越明顯。

表3 和表4 列出了不同墩高下W1 風荷載效應占組合效應的比例情況。 墩底橫向彎矩主要由汽車偏載和風荷載作用產生， 風荷載作用產生的橫向彎矩占組合效應90%以上。 墩底縱向彎矩主要由升降溫、汽車荷載、制動力、風荷載作用產生，風荷載作用產生的縱向彎矩占組合效應50%以上。 隨著墩高增加，風荷載作用效應越明顯，進行高墩受力分析時應考慮風荷載作用效應。

表2 不同墩高下W2 風荷載效應值匯總表

表3 不同墩高下W1 風荷載效應(橫向彎矩)占組合效應比例匯總表

4 主墩截面承載力驗算

(1)懸臂施工階段風荷載靜力作用分析

按《公路橋梁抗風設計規范》第5.6 條規定，對于懸臂施工的連續剛構橋， 宜對其最大雙懸臂狀態和最大單懸臂狀態進行詳細的橫橋向與順橋向的風荷載效應分析。

雙懸臂施工的橋梁受橫橋向風荷載作用時， 應考慮主梁上對稱加載工況與不對稱加載工況， 不對稱工況加載時主梁風荷載一端宜取另一端的0.5 倍。 縱橋向風荷載加載考慮單側橋墩縱向風荷載及豎向風力作用。 懸臂施工中常出現不平衡荷載， 在橋墩縱向分析時考慮以下兩種不平衡荷載： ①不均勻梁重， 按一側懸臂梁重提高3%取值；②懸臂澆筑不同步施工，按懸澆梁段相差一個梁段設置。

懸臂施工階段， 主梁高度處百年一遇設計風速為29.0 m/s，超過按W1 風作用水平確定的25.0 m/s，懸臂施工最不利風荷載作用效應按W2 作用水平計算。 表5 列出懸臂施工階段主墩穩定驗算結果， 表6 列出懸臂施工階段主墩承載力驗算結果。 可以看出，懸臂施工階段，最不利荷載工況下， 主墩穩定及截面承載承載力驗算均滿足要求。

表5 懸臂施工階段主墩墩底穩定驗算表

表6 懸臂施工階段主墩墩底截面承載力驗算表

(2)成橋運營階段風荷載靜力作用分析

成橋運營階段，W1 風作用水平的設計風速為25m/s，風荷載可與汽車荷載及相關作用組合。 W2 風作用水平設計風速為29.14m/s，汽車荷載不參與荷載組合。

表7 列出成橋運營階段考慮W1 水平風作用下主墩穩定驗算結果， 表8 列出成橋運營階段考慮W1 水平風作用下主墩承載力驗算結果。 可以看出，成橋運營階段，考慮W1 水平風作用，在最不利荷載工況下，主墩穩定及截面承載承載力驗算均滿足要求。

表9 列出成橋運營階段考慮W2 水平風作用下主墩穩定驗算結果，表10 列出成橋運營階段考慮W2 水平風作用下主墩承載力驗算結果。 可以看出，成橋運營階段，考慮W2 水平風作用，在最不利荷載工況下，主墩穩定及截面承載承載力驗算均滿足要求。

表7 成橋運營階段考慮W1 風作用下主墩穩定驗算表

表8 成橋運營階段考慮W1 風作用下主墩墩底截面承載力驗算表

表9 成橋運營階段考慮W2 風作用下主墩穩定驗算表

表10 成橋運營階段考慮W2 風作用下主墩墩底截面承載力驗算表

5 結論

(1)高墩大跨連續剛構PC 梁橋受風荷載作用效應明顯， 設計中應按施工階段和成橋運營階段考慮風荷載作用。

(2)懸臂施工階段，同時考慮風荷載W2 水平作用和不平衡荷載作用下， 主墩穩定及截面承載力驗算滿足規范要求。

(3) 成橋運營階段， 分別考慮風荷載W1 水平作用、W2 水平作用與其他荷載作用效應組合， 主墩穩定及截面承載力驗算滿足規范要求。