矮墩刚构体系斜拉桥小间距双肢墩概念设计＊

2020-01-16彭文毅

科技与创新 2020年1期

彭文毅

彭文毅

（中南林业科技大学土木工程学院，湖南长沙 410004）

为了解决矮墩刚构体系斜拉桥的单肢整体墩延性较差，而双肢薄壁墩占地较多、结构较复杂的问题，在双肢薄壁墩的基础上，提出一种小间距双肢墩。为了探讨这种新型桥墩的力学性能，运用ABAQUS软件对两种类型桥墩的数值进行模拟运算，提高了结构的延性性能与承载能力。

桥梁工程；小间距双肢墩；延性性能；抗推承载力

刚构体系斜拉桥采用塔梁墩相互固结，主梁成为在跨内有多点弹性支承的刚构。该体系具有结构刚度大、主梁和塔柱的挠度均较小、不需大吨位的支座、适合悬臂施工等诸多优点。由于塔梁墩固结，体系的超静定次数高，减小墩梁中的温度附加内力是该体系的关键问题[1]。通常，在独塔双跨式刚构体系斜拉桥中，通过边墩设置活动支座可以使主梁纵向自由伸缩。在双塔或多塔刚构体系斜拉桥中，则在跨中设置可纵向伸缩的铰缝或挂孔，尽量降低桥墩的纵向抗推刚度，避免主梁因温度、混凝土收缩徐变等[2-3]引起的主梁纵向变形，从而减少这种变形所引起的附加内力。在跨中设铰或挂孔造成主梁不连续而使行车不顺，还增加了桥梁运营的维护工作量。国内外在双塔或多塔长联主梁的刚构体系斜拉桥中，主要采用单肢薄壁墩和双肢薄壁墩这两种桥墩形式来降低桥墩的纵向抗推刚度。单肢薄壁墩一般仅适应高墩情况，双肢薄壁墩则适应矮墩或高墩情况。

本文以国内一座矮墩刚构体系多塔斜拉桥——常德沅水四桥为研究背景，针对矮墩受力特点，在双肢薄壁墩的基础上，创新性地提出一种新型小间距双肢墩。其既具备双肢薄壁墩较小的抗推刚度与单肢墩占地小、结构简单、节省造价的优点，又能满足与其他整体墩在外形上保持一致而不影响桥墩的整体美观的功能需要。为了探讨小间距双肢墩的力学性能，运用ABAQUS软件设计模拟了1个整体墩和1个小间距双肢墩的模型进行对比分析。在相同恒定竖向力的作用下，对桥墩进行加载试验。探讨了整体墩与小间距双肢墩的延性和承载力的性能特点。

1 工程背景与小间距双肢墩的概念

湖南常德沅水四桥的主桥是一座五塔矮塔矮墩斜拉桥。桥跨布置为（98.5+4×175+98.5）m，全长897 m。该桥第17、18、19号三个中主墩采用塔梁墩固结而成为刚构体系，16、20号两个边主墩墩顶设活动支座，塔梁固结。

为了降低常德沅水四桥三个中主墩的抗推刚度，从墩顶至墩底设置一道缝，缝内填充弹性材料而形成小间距双肢墩，其外形上与两个边主墩保持一致。缩短了双肢墩的间距，既可减小桥墩承台尺寸，还可降低桥墩遭受车、船撞击的可能，也避开了双肢墩的外形设计。同时，在双肢间直接填入弹性材料，既简化了小间距双肢墩的施工工艺，还提高了桥墩的整体性。

2 数值分析

2个桥墩的构造与配筋布置如图1所示，K-01为整体墩，截面尺寸为540 mm×360 mm；K-02为2 mm宽的空缝双肢墩，截面尺寸为540 mm×380 mm，但在桥墩中间沿横桥向设置20 mm贯通缝，并填充橡胶。在浇筑时预留好4个100 mm的锚螺栓孔，试验时通过地锚螺栓锚固于刚性地基。采用ABAQUS建立2个桥墩的有限元模型，将2个模型进行单调加载数值模拟。首先在墩顶施加450 kN恒定竖向力，然后再由墩顶处按位移控制施加递增的水平荷载。加载到桥墩的水平抗推承载力下降到峰值荷载的85%时，便可以结束加载。

3 延性结果与承载力结果分析

荷载-位移曲线如图2所示。在轴压比、配筋率、体积配箍率相同的情况下，通过图2可以发现：在水平加载初期到105 kN时，K-01的荷载-位移曲线呈线性发展。随着荷载的增大，结构随之屈服并进入非线性阶段，曲线上升速度减缓。当荷载加载至150 kN时，结构达到极限状态，随后墩顶水平抗力缓慢减小至135.95 kN。同样的K-02也大致经过了线性发展阶段，随后进入屈服非线性阶段，最后到达峰值之后的下降阶段。其最大承载力为118 kN，为整体墩的78.6%，但其延性系数为整体墩的126.6%。

图1 桥墩大样及配筋布置（尺寸单位：mm）

桥墩损伤形态如图3所示，可看出小间距双肢墩比整体墩裂缝更少，分布区域更窄，损伤较轻，这得益于小间距双肢墩良好的延性，具有较好的塑性变形能力和抗倒塌能力。

4 结论

通过有限元分析得到两种桥墩的水平抗推极限承载力、延性性能、混凝土破坏形态，验证了小间距双肢墩概念设计的可行性，为该类新型桥墩参数分析提供了可靠的依据。整体墩水平抗推承载力虽大，但延性极差。而小间距双肢墩的水平抗推承载力虽然有所下降，但可以在保证小间距双肢墩的承载能力要求的情况下，显著提升其延性性能，使其具有较好的塑性变形能力和抗倒塌能力。