沿海山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁邊墩支座受力研究

唐 翔

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,沿海山區(qū)的橋梁建設(shè)也得以迅猛推進(jìn),連續(xù)剛構(gòu)橋因其跨越能力強(qiáng)、橋面寬度利用率高,已成為山區(qū)公路建設(shè)的常見(jiàn)橋型,眾多研究者對(duì)該類橋梁各部件的受力進(jìn)行了大量研究。郭梅[1]指出穩(wěn)定性分析最不利階段在于最大懸臂施工階段,并推導(dǎo)了橋墩穩(wěn)定性計(jì)算公式,為設(shè)計(jì)人員提供了難得的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。欽會(huì)賓[2]闡述了連續(xù)剛構(gòu)橋無(wú)邊跨現(xiàn)澆段施工方案,并對(duì)不同邊中比一次落架成橋時(shí)的邊墩支座反力進(jìn)行了分析。梁勇旗[3]提出了多個(gè)合龍方案,推算了合龍頂推力,對(duì)不同合龍方式下邊墩支座反力進(jìn)行了對(duì)比。

對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋來(lái)說(shuō),主梁一般采用懸澆法,大部分都是采用對(duì)稱的方式進(jìn)行施工。沿海山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋過(guò)渡墩墩身較高的情況比較常見(jiàn),為增大邊墩支座壓力儲(chǔ)備通常會(huì)設(shè)置較長(zhǎng)的邊跨現(xiàn)澆段,若采用落地滿堂支架施工,具有造價(jià)高、施工風(fēng)險(xiǎn)大的明顯缺點(diǎn),而利用墩身搭設(shè)托架施工時(shí),則由于墩身單側(cè)受載大導(dǎo)致過(guò)渡墩墩底彎矩過(guò)大而出現(xiàn)安全隱患。有學(xué)者提出,設(shè)計(jì)時(shí)邊跨較中跨多懸澆一個(gè)施工節(jié)段可增大邊跨支座正反力,然而,邊墩支座反力主要來(lái)自邊跨現(xiàn)澆段施工后各個(gè)荷載累加效應(yīng),多懸澆一個(gè)節(jié)段對(duì)增大邊墩支座正反力的增量可忽略不計(jì)。綜上所述,從經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性考慮,設(shè)計(jì)邊跨過(guò)渡墩較高的山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí),邊跨與中跨比取值一般為0.53左右。如沿海大風(fēng)山區(qū)的連續(xù)剛構(gòu)橋邊中比過(guò)小,則可能導(dǎo)致邊跨過(guò)渡墩支座出現(xiàn)負(fù)反力。目前,對(duì)如何減少沿海大風(fēng)山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩支座反力的研究相對(duì)較少。為此,本文以某沿海山區(qū)高速公路某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?從設(shè)計(jì)角度研究高墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩支座反力,對(duì)大風(fēng)速下高墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩支座反力提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

該橋位于山區(qū),離最近海岸線約55 km,十年一遇風(fēng)速值為28.2 m/s。橋梁隨路線跨越V形溝谷,橋跨布置為2×(3×30)m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)制T梁+(80+150+80)m連續(xù)剛構(gòu)橋+2×30 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)制T梁,單幅橋?qū)?2.75 m。主橋邊中比為0.533,主梁劃分為17個(gè)懸澆節(jié)段,邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)3.88 m。主墩為雙肢薄壁墩,其中7號(hào)墩高80.81 m,8號(hào)墩高77.65 m,過(guò)渡墩為矩形墻式墩,其中6號(hào)墩高49.67 m,9號(hào)墩高50.29 m。在有限元模型中,主梁、橋墩、蓋梁等均使用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,全橋共380個(gè)單元,359個(gè)節(jié)點(diǎn),其中主梁?jiǎn)卧?62個(gè),主梁節(jié)點(diǎn)163個(gè)。墩身底部采用固結(jié)約束,施工階段按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及懸臂施工流程進(jìn)行劃分,共63個(gè)施工階段。主橋橋型布置、過(guò)渡墩支座布置、建模圖如圖1～3所示。

圖1 主橋橋型布置示意圖(cm)

圖2 邊墩支座橫向布置示意圖(cm)

圖3 有限元模型圖

2 高墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩支座反力影響因素分析

在沿海山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)過(guò)程中,規(guī)范對(duì)于荷載規(guī)定很多,研究能夠引起邊墩負(fù)反力的荷載對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要,建模細(xì)節(jié)也值得深入探討。本文從過(guò)渡墩支座反力成因、過(guò)渡墩支座約束布置、過(guò)渡墩墩身剛度等三個(gè)方面開(kāi)展高墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩支座受力研究。

2.1 邊墩支座負(fù)反力成因

參照現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[4],與該橋過(guò)渡墩支座反力的相關(guān)荷載主要包括:一期恒載(結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加力、混凝土收縮徐變)、二期恒載(鋪裝及護(hù)欄)、梯度升溫、梯度降溫、汽車荷載、汽車制動(dòng)力、基礎(chǔ)變位、整體升溫、整體降溫、橫向10年一遇風(fēng)荷載、縱向10年一遇風(fēng)荷載。其中汽車荷載采用三車道計(jì)算,基礎(chǔ)變位考慮每個(gè)墩沉降2 cm并進(jìn)行自由組合,取最不利值,其余荷載均根據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行選取。規(guī)范中關(guān)于支座選型時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)組合,各項(xiàng)荷載系數(shù)取值均為1。為更好地掌握后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注哪些荷載,分別對(duì)各個(gè)荷載因素引起的支座反力進(jìn)行分析。根據(jù)前述模型,邊墩支座暫先按雙向支座進(jìn)行考慮,恒載按照實(shí)際選取,活載僅統(tǒng)計(jì)各個(gè)荷載使邊墩支座出現(xiàn)受拉時(shí)最大負(fù)反力。該橋結(jié)構(gòu)形式基本對(duì)稱,因此選取6號(hào)邊墩支座1的反力作為分析對(duì)象,其結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 各荷載對(duì)6號(hào)墩中支座1的反力貢獻(xiàn)一覽表

馬高速公路

圖4 荷載對(duì)6號(hào)墩支座1的反力貢獻(xiàn)示意圖

從表1及圖4可以看出,一期恒載、二期恒載、整體降溫及梯度升溫等荷載對(duì)6號(hào)邊墩支座1產(chǎn)生了有利的受壓正反力。汽車荷載、汽車制動(dòng)力、基礎(chǔ)變位、橫向風(fēng)荷載、縱向風(fēng)荷載、整體升溫、梯度降溫等荷載造成了不利的受拉負(fù)反力,其中橫向風(fēng)荷載形成的負(fù)反力最大,達(dá)到了-3 805 kN,占產(chǎn)生負(fù)反力荷載總和的77%。綜上分析,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橫向風(fēng)荷載在邊墩支座負(fù)反力的貢獻(xiàn)。

2.2 邊墩支座約束布置

對(duì)于本次研究的連續(xù)剛構(gòu)橋來(lái)說(shuō),邊墩橫向采用兩個(gè)支座,邊墩支座橫向布置如圖2所示。采用不同支座,意味著不同的約束,結(jié)構(gòu)體系也有所區(qū)別,主梁受到較大的橫向荷載時(shí),邊墩支反力響應(yīng)也不一樣。根據(jù)前述分析,橫向風(fēng)荷載對(duì)邊墩支座反力的影響最大,因此本小節(jié)僅分析橫向風(fēng)荷載作用下,邊墩支座不同約束的響應(yīng),6號(hào)墩支座約束各方案如表2所示。

在同樣的橫向風(fēng)荷載作用下,采用如表2所示三種不同邊墩支座約束方案時(shí),6號(hào)墩支座支反力值如表3所示。

表3 三個(gè)方案下6號(hào)墩支座反力值表

從表3分析結(jié)果來(lái)看,橫向風(fēng)荷載下采用方案一時(shí)支座1負(fù)反力最大,其值為-3 805 kN;方案三時(shí)負(fù)反力最小,其值為-595 kN,兩者差值百分比為177%。然而實(shí)際上在支座布置時(shí)尚需考慮橫向溫度變形,不將橫向全部約束,一般選擇方案二,支座1最大負(fù)反力為-1 816 kN,該值相對(duì)方案一和方案三處于適中水平,是比較合理的。同時(shí),由于支座本身水平抗力較小,邊墩蓋梁需設(shè)置抗水平推力較強(qiáng)的擋塊。

2.3 建模時(shí)過(guò)渡墩墩身對(duì)支座反力的影響

在進(jìn)行過(guò)渡墩墩高較矮的連續(xù)剛構(gòu)橋計(jì)算時(shí),過(guò)渡墩的縱橫向抗彎及抗推剛度較大,考慮墩身與否對(duì)邊墩支座反力影響不大。為了節(jié)省建模時(shí)間,一般僅將連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁、主墩建出來(lái),而忽略過(guò)渡墩墩身剛度的存在。對(duì)于高墩連續(xù)剛構(gòu)橋分析,能否直接省去,則需要進(jìn)行進(jìn)一步分析。本次對(duì)比計(jì)算時(shí)僅考慮10年一遇的橫向風(fēng)荷載,對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 過(guò)渡墩墩身對(duì)支座反力的影響對(duì)比結(jié)果表

由表4可知,從變形角度來(lái)說(shuō),過(guò)渡墩本身具有一定的剛度,可以使過(guò)渡墩與主梁間的力通過(guò)墩身變形產(chǎn)生一定的釋放效果。從分析的結(jié)果看,考慮過(guò)渡墩墩身剛度時(shí)的邊墩支座負(fù)反力為-3 805 kN,不考慮過(guò)渡墩墩身剛度時(shí)為-7 181 kN,差值為3 376 kN,極大地影響了分析精度。所以,模擬分析高墩連續(xù)剛構(gòu)橋受力情況時(shí),不能忽略墩身剛度。如遇V型山谷高主墩、矮邊跨過(guò)渡墩的連續(xù)剛構(gòu)橋,在確保安全的情況下設(shè)計(jì)者應(yīng)盡可能地減少過(guò)渡墩墩身抗推及抗彎剛度,防止在橫向風(fēng)荷載作用下過(guò)渡墩支座的負(fù)反力過(guò)大。

3 改善邊跨過(guò)渡墩支座受力的措施

該橋主橋按照常規(guī)設(shè)計(jì)思路:過(guò)渡墩墩頂上設(shè)置蓋梁,蓋梁與分別與主橋、引橋主梁間采用支座連接。施工工序?yàn)?主橋主梁按照常規(guī)懸澆法施工,澆筑過(guò)渡墩之后施工蓋梁、架設(shè)引橋主梁,再在過(guò)渡墩身搭設(shè)托架,在托架上施工主橋現(xiàn)澆段,然后進(jìn)行邊跨合龍、中跨合龍、二期鋪裝[5]。根據(jù)前文分析結(jié)論,該橋邊墩支座最終采用一個(gè)單向支座、一個(gè)雙向支座的布置方式。按照本工序模擬計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)6號(hào)支座1在標(biāo)準(zhǔn)組合下最小反力為-459 kN,支座出現(xiàn)脫空,一般的受壓支座不能滿足要求,如選擇拉壓支座時(shí),其耐久性較差且造價(jià)貴。因此,設(shè)計(jì)者應(yīng)采取措施將該負(fù)反力消除,確保結(jié)構(gòu)安全、耐久。總體而言,可采取的措施有:(1)方案一,邊中比由0.533調(diào)整為0.56,邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度增加4 m;(2)方案二,在不增加邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度的情況下,邊跨實(shí)心段采用鋼砂混凝土壓重;(3)方案三,采用邊跨合龍前,在中跨17號(hào)梁段配重,中跨合龍后釋放配重;(4)方案四,在不改變邊中比的情況下,邊跨現(xiàn)澆段橫梁做寬并設(shè)置牛腿,引橋主梁放置在牛腿上,使引橋主梁的重量傳遞至邊跨現(xiàn)澆段。經(jīng)對(duì)比計(jì)算,6號(hào)墩四個(gè)方案的最小反力如表5所示。

表5 四個(gè)方案邊墩支反力值計(jì)算結(jié)果表

由表5可知,從結(jié)構(gòu)受力來(lái)說(shuō)四種方案均能改善邊墩支座受力,方案一改善效果最好,增幅達(dá)到了3 172 kN,但是方案一的現(xiàn)澆段長(zhǎng)度達(dá)7.88 m,滿堂支架施工時(shí)施工措施費(fèi)高,施工風(fēng)險(xiǎn)大,墩身托架施工時(shí)過(guò)渡墩墩底彎矩大,顯然不合理。對(duì)于方案二來(lái)說(shuō),該橋邊跨現(xiàn)澆段僅3.88 m,除去橋結(jié)構(gòu)本身的構(gòu)造外,施加鋼砂混凝土的空間有限,而鋼砂混凝土的容重為40 kN/m3,因此該方案增加的邊墩支座壓力的幅度亦有限,經(jīng)推算僅增加6號(hào)墩支座412 kN壓力儲(chǔ)備,支座1依然出現(xiàn)-47 kN的負(fù)反力,不滿足規(guī)范要求。采用方案三時(shí),在邊跨合龍前跨中配重時(shí),需要考慮不平衡的配重在主墩墩底產(chǎn)生的彎矩,根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),最大懸臂時(shí)連續(xù)剛構(gòu)橋T構(gòu)最外端懸臂不平衡荷載不宜超過(guò)最后一個(gè)節(jié)段重量,因此配重選擇為17號(hào)梁段的重量2 636 kN,并在中跨合龍后釋放,最終增加邊墩支座正反力164 kN,實(shí)際效果最差。方案四考慮邊跨引橋活載后,支座1的反力增幅為2 457 kN,最小正反力為1 998 kN,滿足規(guī)范要求。方案四實(shí)施時(shí),高過(guò)渡墩身可按照正常爬模施工即可,短現(xiàn)澆段僅僅按照常規(guī)工序搭一個(gè)小托架即可完成施工,墩底也不存在過(guò)大的偏心受載彎矩,又能大幅提高山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的過(guò)渡墩支座正反力儲(chǔ)備。綜合上述分析,該橋最終推薦采用方案四進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在沿海山區(qū)連續(xù)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩支座反力成因中,橫向風(fēng)荷載對(duì)邊跨過(guò)渡墩支座的負(fù)反力貢獻(xiàn)最大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意風(fēng)荷載的存在。

(2)在大風(fēng)速高墩連續(xù)剛構(gòu)橋中,支座約束的選擇對(duì)邊墩支座負(fù)反力的影響不容忽視。對(duì)該橋來(lái)說(shuō),最大差值百分比達(dá)到177%,直接左右邊墩支座大小的選擇合理性。

(3)對(duì)于高過(guò)渡墩連續(xù)剛構(gòu)橋的建模計(jì)算,就該橋而言,考慮墩身剛度與否其差值百分比達(dá)到88.7%。為此,計(jì)算邊墩支座反力時(shí)應(yīng)考慮其過(guò)渡墩抗彎及抗推剛度的存在。

(4)經(jīng)過(guò)論證,提出了一種改善沿海山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊墩支座反力的設(shè)計(jì)方案,對(duì)設(shè)計(jì)后續(xù)同類型橋梁有一定的借鑒意義。