大跨度預(yù)應(yīng)力門架墩結(jié)構(gòu)形式分析

謝 鵬

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心，廣東 廣州 510199）

1 工程概況

廣東省河惠莞高速公路紫金大橋2＃橋左幅橋跨布置為（4×30+3×40+ （30+2×40） + （33+2×55+33） +8×30）m，右幅橋跨布置為（5×30+3×40+3×30+ （33+2×55+33） +（2×40+30） +5×30）m。省道S242遠(yuǎn)期規(guī)劃下穿左幅11～12孔、右幅13～14孔，受省道242影響該跨采用雙柱式門架墩結(jié)構(gòu)，門架墩跨徑35.6m，最高墩柱33.3m。門架墩采用截面3m×2m的實(shí)心矩形墩，基礎(chǔ)采用群樁，蓋梁采用C55混凝土實(shí)心梁，截面尺寸為4.5m×3m，每片蓋梁采用33根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每束13根。上部結(jié)構(gòu)為10片40m預(yù)應(yīng)力T梁。

2 有限元分析

運(yùn)用有限元軟件Midascivil2018對(duì)紫金大橋2＃橋門架墩進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，研究考慮混凝土的收縮徐變、預(yù)應(yīng)力的損失、幾何非線性等條件，主墩邊界條件采用固結(jié)，主墩與蓋梁之間分別采用不同的連接方式［1-2］。荷載＝恒載+活載，門架墩恒載主要包括自重和二期鋪裝，包括上部T梁自重、橫向連接、橋面鋪、護(hù)欄荷載，活載包括汽車荷載。墩柱采用C35混凝土，蓋梁采用C55混凝土，混凝土容重采用2.6t／m3，鋼絞線采用高強(qiáng)度、低松弛的270級(jí)鋼絞線，每根公稱面積139mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk＝1860MPa，錨下控制應(yīng)力1339.2MPa，門架墩共分81個(gè)單元，有限元模型見圖1。

3 連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響

為清晰表示結(jié)構(gòu)受力特性，分別取墩柱墩頂、蓋梁線路中心點(diǎn)作為代表受力點(diǎn)，分析結(jié)構(gòu)受力特性。

3.1 固結(jié)形式

墩柱與蓋梁采用固結(jié)形式，蓋梁采用現(xiàn)澆施工，計(jì)算變形和應(yīng)力見圖2。

圖1 門架墩有限元模型

圖2 固結(jié)形式計(jì)算結(jié)果

第一排門架墩在施工過(guò)程中變形情況：在蓋梁與墩柱固結(jié)的形式下，在二期恒載施工后，墩頂A點(diǎn)最大豎向變形-1.71mm，最大橫向變形-3.3mm，B點(diǎn)豎向最大變形為1.26mm，最大橫向變形0.53mm。

受縱坡影響，第二排門架墩在施工過(guò)程中變形情況為：在蓋梁與墩柱固結(jié)的形式下，在二期恒載施工后，墩頂D點(diǎn)最大豎向變形-2.16mm，最大橫向變形-3.68mm，E點(diǎn)豎向最大變形為0.36mm，最大橫向變形3.75mm。

3.2 鉸接形式

墩柱與蓋梁采用鉸接形式，施加蓋梁與墩柱之間的X方向、Z方向位移、Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)約束，蓋梁僅可繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和Y方向水平位移，蓋梁采用現(xiàn)澆施工，計(jì)算變形和應(yīng)力見圖3。

第一排門架墩在施工過(guò)程中變形情況：在蓋梁與墩柱鉸接的形式下，在二期恒載施工后，墩頂A點(diǎn)最大豎向變形-1.71mm，最大橫向變形0mm，B點(diǎn)豎向最大變形為4.2mm，最大橫向變形-0.1mm。

受縱坡影響，第二排門架墩在施工過(guò)程中變形情況為：在蓋梁與墩柱鉸接的形式下，在二期恒載施工后，墩頂D點(diǎn)最大豎向變形-2.2mm，最大橫向變形0mm，E點(diǎn)豎向最大變形為2.6mm，最大橫向變形0.7mm。

4 不同連接形式下結(jié)構(gòu)分析

蓋梁與墩柱連接方式不同，結(jié)構(gòu)的變形差別較大，墩柱與蓋梁固結(jié)的情況下主墩變形較大，墩頂A點(diǎn)豎向變形差值為0mm，橫向變形差值3.3mm，墩頂D點(diǎn)豎向變形差值為0.04mm，橫向變形差值3.68mm，固結(jié)形勢(shì)下墩柱水平變形較大，豎向位移基本一致。B點(diǎn)豎向變形差值為2.94mm，橫向變形差值0.63mm，墩頂E點(diǎn)豎向變形差值為2.24mm，橫向變形差值3.01mm，固結(jié)形勢(shì)下蓋梁水平和豎向變形差值較大。

表1 不同連接方式下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表1所知，蓋梁與墩柱連接方式不同，結(jié)構(gòu)的受力差別較大，墩柱與蓋梁固結(jié)的情況下，主墩受力較大，墩頂A點(diǎn)軸力相差16kN，彎矩相差10582.6kN·m，墩頂D點(diǎn)軸力相差3kN，彎矩相差8427.7kN·m，主墩與蓋梁固結(jié)形式下，主墩承受較大的彎矩。B點(diǎn)蓋梁軸力相差542kN，彎矩相差-220914kN·m，E點(diǎn)蓋梁點(diǎn)軸力相差-9567kN，彎矩相差-9680.2kN·m，固結(jié)形勢(shì)蓋梁承受的彎矩教訓(xùn)。

在主墩與蓋梁固結(jié)的形勢(shì)下，由于主墩收到的彎矩較大，特別是在預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，墩底混凝土受到較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力為2.6MPa，二期鋪裝施工后墩底全部受壓，應(yīng)力見圖4。

圖3 鉸接形式計(jì)算結(jié)果

圖4 固結(jié)形式應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于紫金大橋2＃橋門架墩工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法研究了墩柱與蓋梁連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）大跨預(yù)應(yīng)力門架墩可采用墩柱與蓋梁固結(jié)與鉸接的形式，固結(jié)形式下墩柱與蓋梁同時(shí)承受彎矩，結(jié)構(gòu)整體受力均衡，但在預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程中容易產(chǎn)生墩底混凝土拉應(yīng)力。

2）墩柱與蓋梁鉸接的形式，蓋梁承受較大的彎矩，對(duì)蓋梁截面尺寸要求較高，墩柱基本上只受壓，由于受支座等摩阻力影響，墩柱受到輕微的彎矩作用。

3）對(duì)于墩柱較高的門架墩，特別是30m以上的門架墩，建議采用墩柱與蓋梁鉸接的形式。通過(guò)預(yù)應(yīng)力張拉使得蓋梁產(chǎn)生一定的預(yù)拱度，可抵消二期鋪裝施工后產(chǎn)生的豎向變形。

4）墩柱與蓋梁鉸接可采用具有多向約束的板式支座進(jìn)行施工，僅保留蓋梁橫向水平位移和繞墩頂Y軸轉(zhuǎn)向。