橋墩高差對三跨連續剛構橋受力及變形影響研究*

宮大輝

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引言

近年來，隨著我國橋梁工程的高速發展，不同類型的橋梁不斷涌現[1]。連續剛構橋因具有施工難度小、工程造價低及工期短等優點，逐漸在橋梁建設中得到廣泛應用。由于我國地理條件復雜，部分地區地勢高低起伏較大，該地區連續剛構橋修建一般設計為高低墩形式，但高低墩結構剛度的不對稱會對橋梁產生不同的受力形態，進而影響截面尺寸變化，因此深入研究高低墩剛構橋受力及變形具有重要意義[2]。目前，國內外關于橋墩設計對橋梁結構的影響展開了大量研究[3-4]，如楊強等[5]通過分離式橋墩間橫系梁設置及墩高參數分析，開展了橋梁動力特性、靜風作用下的靜位移及脈動風作用下抖振響應研究。董學綢[6]對縱橋向水平力作用下側陡地形柱式排架橋墩的受力進行了分析，認為設計中必須考慮排架橋墩水平力分配的影響。朱虎勇等[7]分析了墩高受限時裝配式組合連續剛構橋墩梁固結構造及性能，與傳統的墩梁固結方式相比，該構造可明顯降低墩底拉應力，優化墩高受限時鋼桁-混凝土組合連續剛構橋橋墩受力性能。王旭等[8]以西部山區具有不等高橋墩的典型連續梁橋為研究對象，在橋梁的關鍵部位設置限位墩，通過有限元分析手段對橋梁的整體抗縱向地震作用進行了研究。由于不同地區地形和地質條件具有差異性，因此連續剛構橋橋墩布置形式不同，以上研究主要是從橋墩類型、設計參數等方面進行受力、抗震性能分析，而關于橋墩高差對連續剛構橋受力及變形的分析較少，基于此，本文借助有限元軟件模擬分析不同橋梁跨度下不同橋墩高差對連續剛構橋受力及變形的影響規律，為以后橋梁工程橋墩設計與施工提出相關建議。

1 工程概況

拱北灣大橋是港珠澳大橋珠海連接線重要組成部分，連接珠澳口岸人工島,雙向6車道，設計時速80km，全長約900m，位于珠海市拱北口岸，毗鄰澳門；起點位于拱北灣海域珠澳口岸人工島；終點位于珠海連接線人工島；主要包括主橋及A，B，C，D，E，F 6條匝道和2座橋臺，F匝道橋梁跨徑布置為(43+ 58 + 44)m，橋寬12m，路面鋪裝采用瀝青混凝土。上部結構中主梁采用單箱單室截面預應力混凝土箱梁，梁高由主墩處5.8m呈二次拋物線變化至跨中處2.6m，頂板厚度逐漸由主墩處25cm變化至跨中處40cm，底板和腹板厚度逐漸由50cm變化至70cm。下部結構主墩采用雙柱式矩形截面雙薄壁墩，截面尺寸為1.8m×3.5m，薄壁墩間距為5.2m。橋墩研究對象分別是2，3號主橋墩，2號主墩高10m，3號主墩高20m。橋墩采用直徑2m的嵌巖樁基礎。橋梁立面布置及箱梁截面如圖1所示。

圖1 橋梁結構示意(單位：cm)

2 模型建立

2.1 有限元模型

以原橋設計參數為依據，運用有限元軟件MIDAS/Civil建立連續剛構橋計算模型，全橋共包含結點126個、單元107個。采用梁單元模擬主梁和雙薄壁墩結構，采用邊界條件模擬下部結構中的樁基、支座等結構。計算模型中不考慮樁土作用，主梁梁端和主墩墩頂采用一般支撐，主墩墩頂和主梁節點采用彈性連接中的剛性連接，0～3號墩考慮沉降位移采用縱向活動約束，約束水平方向位移。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 連續剛構橋有限元模型

2.2 荷載作用

恒載作用主要考慮主梁C50混凝土自重約26N/m3+路面結構和鋪裝等約44N/m3+預應力作用；溫度作用按整體升降溫22℃考慮；不均勻沉降取值-5mm；收縮徐變、汽車荷載(一級汽車荷載)根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》[9]要求取值，荷載組合分析按基本組合(永久作用+汽車(公路-Ⅰ級)作用+溫度效應)。

2.3 材料參數

橋梁上部結構主要采用懸臂澆筑法施工，主梁結構材料主要采用C50混凝土，預應力鋼絞線采用φ15.2、標準強度1 860MPa 高強度低松弛鋼絞線。下部結構采用滑模和爬模的施工方式，橋墩結構材料主要采用C50混凝土，采用HRB335普通鋼筋，橋臺和樁基礎結構材料均采用C40混凝土，主要材料特性如表1所示。

表1 主要材料特性

3 計算結果分析

為研究主墩中2，3號主墩高差對連續剛構橋受力和變形的影響，有限元模型中保持2號主墩墩高10m不變，3號主墩以每10m為一級由20m逐步增至70m，其極限承載力符合橋墩要求，對比分析不同橋墩高差時2，3號墩彎矩、剪力、應力及位移變化規律。

3.1 橋墩高差對截面力學性能影響

為研究橋墩高度變化對其力學性能影響，保持其他參數不變，選取不同橋墩高度進行數值計算，研究截面力學性能與橋墩高度變化間的關系。選擇高25m 0號橋墩為研究對象，分別計算分析其高差為5，10，15，20m下各施工階段控制截面應力，其計算結果如圖3所示。由圖3可知，不同高度橋墩下的控制截面應力在不同施工階段下的應力變化特征基本相同。在6～17施工階段，隨著橋墩高度的增加，控制截面應力隨之增加，墩高每增加5m時，其控制截面壓應力增加0.4MPa左右。

圖3 各施工階段控制截面應力隨墩高差變化曲線

由圖4可知，隨著橋墩高差的不斷增加，橋墩頂部橫梁跨中截面應力在5～9及13～18施工階段變化較明顯。當處于5～9施工階段時，墩高差每增加5m，墩頂橫梁的跨中截面應力增加約0.05MPa；當處于13～18施工階段時，墩高差每增加5m，橫梁跨中截面應力減小約0.1MPa；當完成施工處于成橋階段時，橫梁跨中截面應力隨橋墩高差的增加而減小，此時墩高差在5～20m時，橫梁跨中截面應力變化0.02MPa，當成橋時主墩高差在小范圍內的變化對橫梁跨中截面應力影響較小。

圖4 各施工階段橫梁跨中截面應力隨墩高差變化曲線

3.2 橋墩高差對橋墩彎矩影響

運用有限元軟件建立三跨連續剛構橋不同主墩高差計算模型，針對主墩高差分別為10，20，30，40，50，60m的2，3號主墩墩頂和墩底彎矩變化情況進行對比分析，得到橋墩彎矩變化曲線，如圖5所示。

圖5 2，3號主墩墩頂和墩底彎矩隨橋墩高差變化曲線

由圖5可知，隨著2個主墩高差的增大，2號主墩墩頂彎矩呈先減小，在45m變為0后，彎矩方向改變；1號主墩墩底變化規律與其墩頂變化規律相同。3號主墩墩頂、墩底彎矩均要明顯大于2號主墩，其墩頂、墩底彎矩均隨著高差的增加而降低。在橋墩高差由10m增至30m過程中，2，3號主墩彎矩減小幅度較大，高、低墩間的彎矩差值較小；當橋墩高差>30m后，2，3號主墩彎矩減小幅度開始變緩，高、低墩間的彎矩差值開始逐漸增大。由此可知，當橋墩高差<30m時，高、低墩間的彎矩差值較小，剛構橋高、低墩間受力分配相對合理；而高、低墩高差>30m后會增大橋墩間所受的彎矩差值，導致剛構橋橋墩間受力不均，不利于連續剛構橋整體受力。因此，在設計連續剛構橋時應盡可能地減小橋墩高差，以避免橋梁受力出現較大差距。

3.3 橋墩高差對橋墩剪力影響

對三跨連續剛構橋而言，研究橋墩高差對主墩剪力影響時，從三跨連續剛構橋計算模型中提取2，3號主墩的剪力，針對不同橋墩高差的2，3號主墩剪力變化情況進行對比分析，橋墩剪力變化曲線如圖6所示。

圖6 2，3號主墩剪力隨橋墩高差變化曲線

由圖6可知，隨著2，3號主墩間高差的增大，2號主墩的剪力值先減小，在高差為50m時變為0，最后剪應力方向改變并增加，3號主墩剪力值呈不斷減小的變化趨勢。高、低墩高差在10～50m時，2，3號主墩受到的剪力作用方向相反，當2個墩高差>50m后，2，3號主墩受到的剪力作用方向相同。橋敦高差由10m增至30m時，2，3號主墩受到的剪力減小明顯；當高差>30m后，2個主墩受到剪力的變化較小，說明高、低墩高差變化對橋墩受到的剪力作用影響較大。由于2號主墩在高差>50m后，受到的剪力作用方向發生改變，對于連續剛構橋橋墩受力而言不允許出現，因此根據橋梁設計特點，以及高、低墩高差對橋墩剪力作用的影響，連續剛構橋高、低墩高差控制在50m以內對橋墩合理受力最有利。

3.4 橋墩高差對橋墩應力影響

研究三跨連續剛構橋橋墩高差對橋墩應力的影響時，從連續剛構橋計算模型中提取2，3號主墩的橋墩應力，得到橋墩應力變化曲線，如圖7所示。

圖7 2，3號主墩應力隨橋墩高差變化曲線

由圖7可知，3號主墩墩頂和墩底應力均隨著橋墩高差的增大而減小。2號主墩墩頂和墩底應力呈U形，即先減小后增大，在40m處達到最小值。當橋墩高差由10m增至40m時，2，3號主墩墩頂和墩底應力均呈減小趨勢，高、低墩受力變化趨勢一致，橋梁整體性能較好；當橋墩高差>40m后，3號主墩墩頂和墩底應力依然呈減小趨勢，但2號主墩墩頂和墩底應力開始呈較小增大趨勢，說明橋梁整體受力一致性情況發生改變。因此，為保證連續剛構橋橋墩受到的壓應力作用相對平衡，將高、低墩的高差控制在40m以內較適宜。

3.5 橋墩高差對橋墩位移影響

研究三跨連續剛構橋橋墩高差對橋墩位移的影響時，從連續剛構橋計算模型中提取2，3號主墩的墩頂位移，得到墩頂位移變化曲線，如圖8所示。

圖8 2，3號主墩墩頂位移隨橋墩高差變化曲線

由圖8可知，隨著高、低墩高差的增大，2號主墩墩頂位移在高差10～30m時逐漸減小，當高差>30m后，墩頂位移達到穩定不再隨橋墩高差的變化而改變；高差在10～50m時，3號主墩墩頂位移隨著高、低墩高差的增大而不斷增大；當高差>50m后，墩頂位移基本一致，不再隨橋墩高差的變化而改變。對于多跨連續剛構橋，主梁及墩頂水平位移主要取決于溫度梯度、車輛制動力、混凝土收縮徐變，當水平位移過大時主梁與墩頂連接處位移差值較大對車輛行駛產生不利影響，墩水平位移與高度成反比，墩高過高對主梁受力也有不利影響。因此，綜合高、低墩位移變化情況來看，將橋墩高差控制在30m以內更有利于三跨連續剛構橋變形控制，減少相關施工措施和降低設計難度。

3.6 不同跨度三跨連續剛構橋受力分析

三跨連續剛構橋設計跨徑一般為75～270m，為驗證不同橋梁跨度下結構受力特點，分別選取國內較有代表性的三跨連續剛構橋進行計算，其主跨跨度分別為135，190，240，270m，其截面尺寸和基本參數為：①津市澧水大橋(88+135+88)m，箱梁高8～3m；②華南大橋(110+190+110)m，箱梁高9.5～3m；③重慶高家花園嘉陵江大橋(140+240+140)m，箱梁高13.5～3.5m；④虎門大橋輔航道橋(150+270+150)m， 箱梁高14.8～5.0m。計算得到其受力規律與主跨75m的連續剛構橋相似，并統計橋墩應力、墩身彎矩差值最小、墩身剪力不發生反向、低墩墩頂撓度變小至趨于平緩時的墩身高差，如表2所示。

表2 控制條件下的墩身高差統計 m

由表2和圖9可知，隨三跨連續梁跨徑的增加，其墩身應力、彎矩差、剪力、墩頂撓度波動范圍分別為39～45kN/m2，28～36kN·m，46～51kN，30～36mm；如果考慮每米跨徑各因素增加的百分比，則各因素增加百分比為0.077%，0.142 5%，0.054%，0.1%，增加幅度幾乎可不計入安全影響系數中，由圖9總體上看，三跨連續剛構橋墩身應力、彎矩差、墩頂撓度隨跨徑的增加線性增加，跨徑對其剪力影響不大。

圖9 不同跨度三跨連續剛構橋受力結果分析

4 結語

以拱北灣大橋三跨連續剛構橋為研究對象，運用有限元軟件建立橋梁計算模型，針對不同主墩高差對剛構橋橋墩受力及變形的影響展開對比分析，同時選取國內較有代表性的不同跨度的連續剛構橋進行分析，得到以下主要結論。

1)對于三跨連續剛構橋而言，隨著高、低墩高差的增大，橋墩的受力狀態如彎矩、剪力、應力整體均呈減小趨勢。

2)隨著橋墩高差的增大，2號主墩剪力值先減小后增大，3號主墩剪力值呈不斷下降趨勢。橋墩高差由10m增至30m時，2，3號主墩受到的剪力減小明顯；當高差>30m后，2個主墩受到的剪力變化較小，50m后2號主橋墩剪力發生改變。

3)隨著橋墩高差的增大，墩頂彎矩呈先減小至0后彎矩方向改變，在橋墩高差由10m增至30m時，2，3號主墩彎矩減小幅度較大，高、低墩間的彎矩差值較小，當橋墩高差>45m時彎矩方向改變。

4)3號主墩墩頂和墩底應力均隨著橋墩高差的增大而減小。2號主墩墩頂和墩底應力先減小后增大；1號主墩墩頂位移在橋墩高差10～30m時逐漸減小，當高差>30m后，墩頂位移達到穩定，不再隨橋墩高差的變化而改變。