裝配式鋼管混凝土格構墩設計研究

楊 凱，劉婉玥

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088 2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著我國經濟的迅速發展,對公路交通建設的要求也越來越高,尤其對山區而言,公路交通已成為制約這些地區經濟發展的瓶頸。受地形條件限制,在這些地區進行公路建設經常要跨越河流、峽谷等復雜地形,高橋墩的修建日益增多。高墩結構形式一般比較復雜,往往采用空心薄壁墩,其混凝土澆筑體量較大,施工速度較慢,不能適應山區工業化建造需求[9-10]。

本文結合山區特點,提出一種可裝配化施工的鋼管混凝土格構墩。裝配式鋼管混凝土格構墩的研究可實現山區的工業化高墩建設,提升項目的建設速度,產生直接的經濟效益;工業化建造可以實現綠色化建造,最大程度上減少對橋址周圍的環境破壞,實現集約化發展。本文依托某山區實際工程項目的建設,對裝配式鋼管混凝土高墩進行初步研究與分析。

1 工程概況

某山區高速致力于打造旅游公路與綠色公路。全線采用雙向四車道高速公路標準建設,設計時速80 km/h,路基寬度25.5 m。該項目位于皖南山區,橋址條件復雜,地震峰值加速度.05g。該項目涉及眾多高墩的建設問題,為減少對現有環境的擾動,實現山區橋梁工業化建造,部分區段橋梁設計上部結構采用裝配式雙主梁鋼板組合梁橋,下部結構采用裝配式鋼管混凝土格構墩。

圖1 某一聯橋跨布置示意圖

2 格構墩構造與體系設計

格構墩主要承載構件為鋼管混凝土墩柱,內壁的混凝土可防止鋼管的局部失穩。格構墩體系由4根鋼管混凝土柱、蓋梁、承臺與柱間支撐組成,見圖2。鋼管混凝土柱由鋼管內包空心混凝土柱組成,鋼管使用定型鋼管,內部混凝土可采用C60～C80混凝土,鋼管混凝土柱在工廠高速離心形成。根據墩高不同,鋼管混凝土柱選用不同截面,對于40～50 m墩高,一般將墩柱分為3段,上段截面形式為SC700-110-10(表示直徑為700 mm,壁厚為110 mm,鋼管壁厚為10 mm的鋼管混凝土),中段截面形式為SC700-110-12,底段截面形式為SC700-110-14。底部節段外包3 m高鋼筋混凝土,節段之間采用法蘭連接,可根據設計墩高對節段長度進行調整。

墩柱之間通過橫撐鋼管連接成整體,在滿足鋼管混凝土柱穩定的基礎上,格構墩的橫撐布置形式對格構墩承載力影響較小[1-3],橫撐的型式與布置對格構墩的整體剛度起到重要作用。

圖2 格構墩設計

本文從剛度方面對橫撐形式進行研究。根據設計條件,鋼管混凝土墩柱之間的橫向連接主要有3種型式,圖3中從左至右依次為:斜撐、K形支撐Ⅰ與K形支撐Ⅱ。

圖3 墩柱之間橫向支撐型式

表1 不同支撐型式剛度對比

通過在墩頂施加橫橋向集中力1 kN對比分析3種支撐形式的剛度與受力行為。對比分析3種橫向支撐型式剛度,斜撐抗側推剛度最大,其次為K形支撐Ⅰ,K形支撐Ⅱ。傳力路徑越直接,其剛度越大,如果只基于結構受力性能方面考慮,斜撐是最優的選擇。但基于實際工業化建造的需要,斜撐不利于格構墩的分段,K形支撐形式可實現分節段組裝,因此綜合考慮,選擇K形支撐Ⅰ作為格構墩柱橫向支撐型式。

格構墩柱縱向距離較小,通過平撐進行連接,易知平撐布置數量愈多格構墩的縱向剛度愈大。平撐的布置須從受力、材料用量與節段劃分綜合考慮。

3 墩梁連接體系設計

為使上部結構與下部結構剛度相適配,上部結構同樣也選擇使用鋼混組合結構——雙主梁鋼板組合梁[6],跨度布置為4×40 m。鋼板組合梁采用預制橋面板,鋼主梁工廠加工而成,具有自重輕、結構簡潔,可實現全裝配化等特點[7,8]。

圖4 上部結構鋼板組合梁標準斷面

在傳統高墩設計中,一般使用墩梁固結體系,增大整體剛度。本文對3種支座布置型式進行分析對比:

(1)墩梁固結,中間墩全部與上部結構固結;

(2)一般支座布置,只在一個中間墩設置固定支座,限制上部結構縱向自由度,如圖5所示;

(3)多固定支座布置,除端支座外,中間支座全部采用固定支座,增大上下部結構整體縱向剛度,如圖6所示。

對3種支座布置形式結構受力進行分析對比,恒載作用下彎矩，如圖7所示。

圖5 一般支座布置形式

圖6 多固定支座布置形式

圖7 恒載作用下彎矩分布(kN.m)

表2 不同支座布置彎矩對比

從以上計算結果可以看出:多固定支座布置與一般支座布置形式上部結構內力分布的差別較小;而墩梁固結跨中正彎矩減少,墩頂不利負彎矩增加。

采用墩梁固結,使中支點處構造復雜,墩頂不利負彎矩增加;采用多固定支座布置,可以限制主梁縱向自由度,釋放轉動自由度,實現限制部分墩頂位移的設計需求。在3種支座布置形式中,最終選用多固定支座布置。

4 施工方式

格構墩目前節段最大重量為82t,一般節段重量為65t。根據現場地形情況與格構墩設計高度,可選擇塔吊作為起吊設備。

裝配式鋼管混凝土格構墩一般施工流程:1.施工樁基與承臺,承臺預留與墩柱連接杯口;2.墩柱與橫撐在工廠下料預制而成,運至施工現場,橫撐與墩柱焊接進行節段拼裝;3.使用塔吊整節段吊裝就位,節段之間使用法蘭連接;4.澆筑蓋梁。其中節段吊裝為格構墩施工的關鍵工序,節段直接采用法蘭連接,可避免高空焊接[5]。

圖8 施工流程示意圖

5 結構分析

5.1 全橋有限元模擬

整體計算采用桿系單元,采用MIDAS CIVIL 2020,鋼板組合梁與鋼管混凝土均采用MIDAS內置聯合截面進行模擬,由于橋址處地址為巖石地基,墩底邊界約束條件直接固結約束,其有限元模型見圖9支座采用彈性連接進行模擬,對于橫向活動支座,其允許位移值為50 mm,縱向活動支座的允許值為100 mm,對于活動支座的模擬需要采用雙折線模型。

圖9 全橋有限元模型

5.2 鋼管混凝土墩柱承載能力分析

空心鋼管混凝土柱的承載能力根據《實心與空心鋼管混凝土結構技術規程CECS254:2012》計算[2]。該規范基于“鋼管混凝土統一理論”,即把鋼管混凝土看作一個統一體,視為是一種“組合材料”[4]。根據有限元分析,墩柱截面最大彎矩274 kN·m,最大軸力為5 071 kN,因為該墩為格構式受力構件,墩柱所受彎矩與軸力均有較大富余量。除驗算彎矩、軸力、剪力單項荷載作用下的截面承載力外,還須驗算彎矩、軸力與剪力耦合作用下的受力行為:

式中，N,M,V為格構墩柱設計內力,N、M、V為截面承載能力,βm為等效彎矩系數,φ為軸壓構件穩定系數,NE為受壓柱的臨界穩定承載力。

表3 墩柱承載力計算結果

5.3 穩定分析

對格構墩進行整體屈曲分析,可得到其一階失穩模態為整體縱向失穩,說明縱向剛度最為薄弱,其失穩荷載為11.2×(恒載+制動力+活載),穩定性滿足設計要求。

圖10 一階失穩模態

5.4 抗震分析

由于最大墩高超過40 m,需要進行抗震分析。其抗震設計基本信息見表4。

表4 抗震設計基本信息

輸入E1與E2作用下的反應譜,計算兩種地震荷載組合下的結構位移與內力響應。

由于峰值加速度較小,且結構自振周期避開場地周期,經分析地震作用下結構仍處于線彈性范圍內,結構承載力富余較大,結構安全可靠。

另外還需對法蘭連接中的高強螺栓、法蘭板厚度進行計算,本文不作贅述。

6 結束語

本文對裝配式鋼管混凝土格構墩的結構體系與受力行為進行了較全面的研究,證明其結構的可靠性與優越性。采用裝配式鋼管混凝土格構墩利于鋼結構技術的推廣發展,為橋梁橋墩設計與建設提供一種新的可行方案,一定程度上推動橋梁技術的進步,將產生一定的社會效益與產業效益。