空心薄壁高墩结构的安全性计算

2012-08-02周润翔

黑龙江交通科技 2012年4期

周润翔

(杭州市交通规划设计研究院)

1 概述

对于位于山间河谷地区，地形起伏大，同时桥墩高度较大的桥梁。本文设定墩高47.8 m(含盖梁高度)，采用采用空心薄壁桥墩;桥梁上部结构采用20m 钢筋混凝土现浇连续箱梁(平面位于60 m 半径曲线上)，桥宽8 m。计算对最高桥墩进行计算分析，验算其安全性。

桥梁设计荷载等级为公路－Ⅰ级，区域内场地稳定，地震运动少，震级弱，计算中不考虑地震作用的影响，仅从构造上设防。

本次计算根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 －2004)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62 －2004)中相关规定执行。

2 桥墩计算

2.1 桥墩受力分析

桥墩的计算考虑竖向、纵桥向、横桥向的受力情况，竖向荷载计入永久荷载和汽车荷载的作用;纵桥向计算考虑汽车制动力、温差变化、混凝土收缩、徐变及纵桥向风荷载作用;横桥向计算考虑汽车离心力(小半径曲线内)及横向风荷载作用。桥墩构造图如图1 所示。

图1 桥墩构造图

(1)竖向受力

桥墩竖向受力来自上部结构自重、汽车荷载及桥墩自重等。计算考虑的桥墩竖向荷载。

上部恒载3 650 kN，桥墩自重1 2410 kN，汽车荷载最小0 kN，最大950 kN。

(2)纵向受力

桥墩纵向受力主要来自汽车制动力、温度变化及上部结构混凝土收缩、徐变以及纵向风荷载等几个方面。

①汽车制动力效应计算

本桥行车道宽7 m，单向双车道行车，汽车制动力分配时偏安全的不考虑过渡墩承担制动力，按连续墩个数平均分配，制动着力点移至支座底座面。汽车制动力效应计算:

桥墩高度47. 8 m，墩顶水平力110 kN，墩底弯矩5 258 kN·m。

②温度变化效应计算

温度变化引起的上部结构纵向变形在墩顶产生水平力，按降温20 ℃考虑。温度变化效应计算:墩顶位移4.0 mm，墩顶水平力25.9 kN，墩底弯矩1 238 kN·m。

③混凝土收缩、徐变效应计算

混凝土收缩、徐变引起的上部结构纵向变形在墩顶产生水平力，其作用效应计算。

墩顶位移6. 0 mm，墩顶水平力38. 8 kN，墩底弯矩1 855 kN·m。

④纵向风荷载效应计算

风荷载根据《公路桥涵设计通用规范》4.3.7 条规定计算。

本桥基本风速参照取V10=25.6 m/s，桥墩纵向风荷载作用效应计算。

墩顶纵桥向风压Wd=1.24 kPa，墩身风荷载9.00 kN/m，墩底纵桥向风压Wd=0.76 kPa，墩身风荷载5.52 kN/m;纵向风荷载墩底弯矩8 955 kN·m。

注:计算顺桥向风荷载标准值时按风压的70%计入。

(3)横向受力

桥墩横向计算中不考虑地震作用的影响，主要考虑风荷载作用。横桥向风荷载分两部分考虑，一部分为风压作用在上部结构上，然后经支座传递至桥墩顶，该部分风荷载按集中力考虑，其大小为风压在一孔上部结构上产生的水平力;另一部分为风压直接作用在墩身上，按线形分布荷载考虑。

①横向风荷载计算

墩顶横桥向风压 Wd= 1. 24 kPa，墩身风荷载3.48 kN/m，上部结构风荷载57.2 kN;墩底横桥向风压Wd=0.76 kPa，墩身风荷载2.13 kN·m;纵向风荷载墩底弯矩6 196 kN·m。

②汽车荷载离心力计算

汽车荷载离心力根据《公路桥涵设计通用规范》4.3.3条规定计算。桥墩位于60 m 半径曲线上，匝道设计速度按40 km/h。

汽车荷载离心力标准值为550 ×2 ×0.21 =231 kN

由离心力产生的墩底截面横向弯矩为231 ×47.8 =11 042 kN·m。

2.2 承载能力极限状态验算

桥墩承载能力极限状态下控制截面为墩底截面，在桥梁使用过程中考虑到纵向风荷载和横向风荷载不可能同时出现，因此桥墩强度验算取以下两种工况进行:(1)永久作用+温差+收缩徐变+制动力+离心力+纵向风效应;(2)永久作用+温差+收缩徐变+制动力+离心力+横向风效应。根据规范要求，当离心力与制动力同时参与组合时，制动力设计值按70%取用。结构自重对桥墩承载力有利，其分项系数取1.0，收缩徐变分项系数取1.0，汽车制动力、离心力及温差分项系数取1.4，风荷载分项系数取1.1，风荷载组合系数取0.8。各验算工况墩底截面设计组合内力及截面抗力分别见表1。