马河特大桥主墩设计控制

2016-01-07蒲果富丁作常

交通科技 2015年5期

关键词：马河主墩薄壁

蒲果富　丁作常　田　彬

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

马河特大桥主墩设计控制

蒲果富丁作常田彬

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要马河特大桥主墩最大高度为145 m，其结构强度、刚度、稳定性及施工工期控制是设计的关键。文中在借鉴国内超高桥墩设计和研究成果的基础上，结合项目的实际特点，通过主墩截面形式多方案初步比选，在比选结果的基础上运用分析软件进行了主墩整体稳定、局部稳定及强度计算分析，分析结果满足规范要求。

关键词预应力混凝土连续刚构桥大跨高墩稳定性强度

马河特大桥是贵州省务川至正安高速公路上的特大桥，桥轴线通过段地面高程在582.4～771.2 m之间，相对高差188.8 m，桥区地势起伏较大。大桥按路线分幅设计，左右幅路中心间距为25 m，主跨均为96 m+180 m+96 m预应力混凝土连续刚构[1]，见图1。

图1　主桥立面图(单位：cm)

1主墩的方案比选

马河特大桥主墩最大墩高达到145 m，为保证主墩的刚度、强度和稳定性满足相关规范要求，综合考虑工程造价及施工工艺影响，在施工图设计阶段进行了分析论证。从目前国内外超高墩设计建设看，超高墩的结构形式常见的有钢筋混凝土的整体箱形薄壁墩，见图2，双肢薄壁墩及两者相结合的组合墩，见图3。整体箱形薄壁墩(主墩形式1)具有如下特点：①抗弯、抗扭刚度强大；②具有较大的纵向抗推刚度；③适应结构体系纵向变形的能力较差；④为了在悬浇阶段提供足够安全的抵抗纵向不平衡弯矩的作用，需要较大的纵向尺寸，而此时较大的抗推刚度导致体系在收缩、徐变、温度变化等作用下产生较大的内力，对墩柱、基础均产生较大的影响；⑤工程量相对较大，不够经济。

图2　主墩形式1(单位：cm)

图3　主墩形式2(单位：cm)

双肢薄壁墩具有如下特点：①纵向抗推刚度容易调整，可以通过调整单肢截面、系梁间距、系梁截面刚度等手段，较自由地调整纵向抗推刚度，减小由于温度、混凝土收缩徐变等产生的结构次内力，在悬臂阶段容易提供足够的抵抗不平衡荷载的能力；②双肢薄壁造型简单，与地形环境容易适应，能方便施工，横向迎风面积较小、风载体形系数小，对抵抗山区峡谷横风有利；③在墩柱工程量相当的前提下，双肢薄壁纵向间距较大，减小了上部箱梁的净跨径，能有效削减墩顶弯矩的峰值，减小了箱梁的受力，上部相对经济；④结构受力的稳定性相对低一些，需要采取一些构造措施。

组合墩(主墩形式2)通过调整底部整箱薄壁的高度使主墩既具有足够的抗弯、抗扭、纵向抗推刚度又具有双肢薄壁的特点，与整体箱形薄壁墩相比能显著地降低造价。

本桥由于主墩较高，采用双肢薄壁墩在顺桥向和横桥向均需放坡，且路线分幅间距较大，横向相连接，工程量和施工困难程度将大大增加，因此本桥不予考虑。

经过对多座墩高超过130 m、主跨200 m 左右的连续刚构的研究结果表明，主桥下构工程量(包含过渡墩)所占整个主桥的比例已经达到了40%～60%，已建成的四川腊八斤特大桥、贵州赫章特大桥等主桥下构的工程量所占的比重更大。因此合理地控制造价、选择经济性较好的结构形式是高速公路设计中需要重点考虑的问题。主墩形式1与主墩形式2的方案比较见表1。

表1　方案比较表

注:表中计算的是半幅桥主墩的数量;工期不含场平时间。

结合马河特大桥地形、地貌特点及地质条件，考虑了结构安全、经济、工期、施工方便程度等因素，最终主墩采用主墩形式2 (双肢薄壁墩+箱墩的结构形式)。薄壁墩为矩形空心截面，横桥向9.0 m，顺桥向3.2 m，2片墩间净距为6.6 m，双肢薄壁墩之间设一道临时系梁，墩身上部端与箱梁0号梁段固接，下部端与箱墩固结。箱墩横桥向9.0 m，顺桥向13.0 m，箱墩上部端与双肢薄壁墩固接，下部端与承台固接。主墩承台采用22.3 m×16.3 m×6 m矩形承台，桩基均采用12根直径为2.3 m的的钻(挖)孔灌注桩。

2主墩设计的关键技术点

2.1　局部稳定控制

薄壁高墩壁板局部的稳定可以通过限制边长与壁厚的比值，使局部屈曲临界应力高于材料极限强度来保证。在文献[2]中，箱形薄壁截面、工字形腹板容许宽厚比(边长与厚度之比)约为35，在容许宽厚比以内，薄壁局部稳定不控制设计，墩柱设计由强度、位移、整体稳定等其他因素控制。

2.2　整体稳定控制

超高墩结构失稳现象主要考虑2个方面的稳定问题。

(1) 第1类稳定，欧拉稳定性问题。欧拉稳定性是指结构的初应力状态处于某种临界状态时,对于临界变形的任何扰动都可能使系统丧失稳定性，例如轴心受压的直杆[3]。

第1类稳定问题的有限元矩阵方程为

(1)

式中：K为结构的弹性刚度矩阵；Kσ为应力刚度矩阵；Δu为节点位移增量向量；ΔR为外荷载增量向量。

当结构处在临界状态，即使{ΔR}→0，Δu也有非零解，按线性代数理论，必有：

(2)

(3)

于是式(2)可写成

(4)

式(4)就是第一类线弹性稳定问题的控制方程。稳定问题转化为求方程的最小特征值问题。

(2) 第2类稳定，也称为极值稳定性问题。极值稳定性是指结构保持一个平衡状态，随着荷载的增加在应力比较大的区域出现塑性变形，结构的变形很快增大，当作用在结构上的外荷载达到某一极限值时,即使不增加,甚至减少,变形仍将继续增加,结构丧失承载能力，例如偏心受压的杆。

第2类稳定问题考虑了大变形效应，有限元矩阵方程为刚度项中增添了初位移矩阵，使结构总刚度变为切线刚度矩阵KL，须进行全过程的迭代求解。一般结构的结构刚度矩阵在P-δ曲线上升段是正定的，在下降段为负定的。在进行“全过程”的分析过程中，当荷载接近极限值时，很小的荷载增量都会引起很大的位移，可能还未找到极限荷载就出现了求解失效现象。

第1类稳定问题力学情况比较单纯明确，在数学上作为求特征值问题比较容易处理，其临界荷载又近似地代表第2类稳定问题的上限，第2类稳定主要由强度条件控制，即一般来说强度满足要求时，稳定也能满足要求。在许多情况下2类稳定问题的临界值相差不大，因此本文主要讨论马河特大桥高墩的第1类稳定问题。