裝配式T形橋墩靜力性能分析方法

朱 俊，汪志甜

(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)

1 裝配式T形橋墩的產生背景

安徽省目前正在進行大規模高速公路改擴建系統建設,但由于各方面因素的干擾,施工期間的交通受到了一定影響,主要面臨的問題是:如何減少施工周期、減少施工對既有交通的影響,控制現場施工質量,減少環境及其他干擾因素對工程進度、質量的影響及控制造價等。

我公司在尋求解決上述問題的過程中認識到,橋梁上、下部結構預制裝配化是解決上述問題的有效手段。目前,橋梁上部結構基本實現了預制裝配化,而安徽省高速公路下部結構工業化預制技術尚處實踐階段。

針對上述背景,我公司在G3京臺高速方興大道至馬堰段改擴建工程的中派河特大橋設計中首次提出了裝配式T形橋墩技術,并作為科研試驗段進行設計施工,以配合我公司橋梁下部結構工業化科研工作[1]。

2 設計情況簡介

中派河特大橋是G3京臺高速方興大道至馬堰段改擴建工程的重要橋梁,左幅新建橋梁橋面標準寬20.25 m,橋梁全長1846 m。擴建形式采用左側分離擴建方案。全橋跨徑布置為:26×30 m+(86+140+90)m+25×30 m。主橋上部結構采用86+140+90 m下承式鋼桁架梁橋,引橋采用30 m裝配式預應力混凝土小箱梁,引橋下部采用裝配式T形橋墩的形式。

裝配式T形橋墩具體構造采用預制蓋梁接圓形空心預制橋墩接現澆承臺接預制管樁基礎,每片預制蓋梁承擔上部兩片小箱梁,橫向形成獨立的T型橋墩受力構造。采用預制T型橋墩后,橋梁下部結構能夠實現工廠標準化生產,工地標準化安裝。預制構件工廠生產質量標準高,同時能大幅節省工期,并且施工文明、環保,契合國家大力發展裝配化建筑的指導意見[2]。

裝配式T形橋墩結構新穎,荷載傳遞路徑簡潔、明確,為了使工程技術人員更好的了解此種新型橋墩形式,以下對裝配式T形橋墩的靜力性能進行了分析計算,計算以手算為主,重點關注裝配式T形橋墩的結構受力概念。

圖1 裝配式T形橋墩一般構造圖

3 上部結構荷載傳遞計算

裝配式T形橋墩結構進行靜力計算時,首先最重要的是正確計算上部結構傳遞給下部結構的豎向力和水平力。其中豎向力主要包括恒載和活載,水平力主要包括制動力和溫度力,以下詳細進行分析。

3.1 豎向力計算

3.1.1 恒載計算

表1 上部恒載傳遞豎向力計算

3.1.2 活載計算

(1)活載反力計算:

對中墩進行雙孔布載,求得中墩墩頂支座處活載反力的最大值:

一個車道雙孔布載時:B=0.5×10.5×(30+30)+320=635 kN。

(2)小箱梁活載反力橫向分布計算:

汽車荷載橫向偏載時墩柱取得相應的最大反力,按1～5個車道分別進行加載,按偏心受壓法分別求得邊梁(R1)和次邊梁(R2)的反力橫向分布系數,詳見圖3和表2:

圖2 車道荷載縱向加載示意圖

圖3 活載橫向加載示意圖

(3)汽車荷載沖擊系數計算:

取30 m小箱梁梁單片梁計算

根據《橋規》4.3.2條規定[5],當1.5 Hz

(4)小箱梁最大活載反力計算:

計算詳見下表:

表2 小箱梁最大活載豎向力計算

表中n為車道數,ζ為車道折減系數。從表中可以看出,橫向三列布載時,邊梁和次邊梁取得最大豎向力。

3.2 水平力計算

上部結構傳遞到橋墩的順橋向水平力按支座和墩柱的組合抗推剛度進行計算,計算時應注意如果墩臺滑板支座摩阻力小于一聯分配水平力則只承擔摩阻力,剩余水平力由其余墩臺按剛度重分配[3]。具體計算詳見表3:

表3 墩柱水平力分配計算(一根墩柱)

注:表中聯端滑板支座摩阻力始終大于一聯的分配水平力,無水平力重分配。

3.3 荷載組合

上部結構傳遞給下部結構的各項豎向力和水平力計算完成后,就可以按規范進行承載能力和正常使用階段荷載組合,注意組合應按橫橋向和縱橋向分別進行,具體計算過程從略。

4 裝配式T形橋墩各構件驗算要點

4.1 蓋梁

裝配式T形橋墩的蓋梁為典型的小懸臂獨柱墩蓋梁,邊梁支座作用點到柱邊緣的距離小于蓋梁高度,應按公預規8.4.6條要求采用“撐桿-系桿體系”計算懸臂部分正截面抗彎承載力[6]。具體計算圖示見圖4。

圖4 短懸臂蓋梁“撐桿-系桿體系”計算圖示

4.2 墩柱

裝配式T形橋墩的墩柱為鋼筋混凝土圓環形截面構件,根據規范應進行軸心受壓承載力驗算、偏心受壓承載力驗算、斜截面抗剪承載力驗算、正常使用階段裂縫寬度驗算共4項驗算內容,具體驗算時應按橫橋向和縱橋向分別進行。

4.3 承臺

裝配式T形橋墩的承臺為四樁承臺,外排樁中心與墩柱邊緣的距離小于承臺高度,應按規范采用“撐桿-系桿體系”計算撐桿的抗壓承載力和系桿的抗拉承載力,以及斜截面抗剪承載力和充切承載力[4]。

4.4 管樁基礎

管樁基礎首先應采用公路橋涵地基與基礎設計規范中的“m”法計算樁基內力和應力,再以國標圖集10G409《預應力混凝土管樁》對管樁進行選型或校核,所選擇的管樁各項指標應滿足國標圖集要求。

5 結 論

裝配式T形橋墩是一項適應于橋梁工業化建造的獨特技術創新,具體構造采用預制蓋梁接圓形空心預制橋墩接現澆承臺接預制管樁基礎,每片預制蓋梁承擔上部兩片小箱梁,橫向形成獨立的T型橋墩受力構造。

裝配式T形橋墩結構進行靜力計算時,首先最重要的是正確計算上部結構傳遞給下部結構的豎向力和水平力。其中豎向力主要包括恒載和活載,水平力主要包括制動力和溫度力。活載豎向力傳遞采用偏心受壓法對車道活載反力進行橫向分配,以求得邊梁和次邊梁在最不利偏載工況下傳遞給下部結構蓋梁的反力。上部結構傳遞到橋墩的順橋向水平力按支座和墩柱的組合抗推剛度進行計算,計算時應注意如果墩臺滑板支座摩阻力小于一聯分配水平力則只承擔摩阻力,剩余水平力由其余墩臺按剛度重分配。

裝配式T形橋墩的蓋梁和承臺是典型的“撐桿-系桿受力體系”構件,應分別計算計算撐桿的抗壓承載力和系桿的抗拉承載力。裝配式T形橋墩的墩柱和管樁基礎均為圓環形截面構件,應根據相關規范驗算各項內力和應力,具體驗算時應按橫橋向和縱橋向分別進行。

本文簡要分析了裝配式T形橋墩的靜力性能,下一步將進一步分析裝配式T形橋墩的動力性能,進一步完善設計,為裝配式T形橋墩的推廣應用積累經驗。