施工偏差对连续刚构桥墩内力影响分析

毋晓琛

(山西省交通科技研发有限公司 太原市 030006)

1 概述

1.1 桥梁概况

某连续刚构桥为跨越河流而设，采用三跨连续刚构体系，分离式单幅桥，上部结构为跨径组合(72+130+72)m预应力混凝土连续刚构，主墩墩梁固结，主墩采用薄壁空心墩，主桥上部结构采用悬臂施工法施工。主桥上部横截面采用单箱单室箱型截面，支点处梁高7.9m，跨中梁高3.2m，桥面采用单面坡，箱梁高度按1.8次抛物线变化；支点底板厚度130cm，跨中底板厚32cm，箱梁底板厚度按1.8次抛物线变化；横截面为单箱单室直腹板箱梁，箱梁顶宽为12.55m，底板宽度为7.05m，箱梁两端悬臂长度均2.75m。主梁典型断面如图1所示。

图1 主梁一般构造图(单位：cm)

主桥桥墩采用空心薄壁墩，墩高分别为70m和77m，最大外轮廓尺寸为横向7.05m，顺桥向6m，内设 70×50cm 倒角，墩底设3.0m厚实心段。桥墩壁横桥向厚 0.7m，纵桥向厚 0.7m。承台尺寸为 11.9m×11.9m，厚 4.5m。主墩基础采用钻孔灌注桩基础，每墩采用 9 根直径1.8m钻孔灌注桩基础，布置如图2所示。

图2 桥墩一般构造图(单位：cm)

1.2 主要技术标准

公路等级：高速公路。

设计速度：80km/h。

桥梁设计荷载：公路-Ⅰ级。

地震动峰值加速度：0.05g。

桥面宽度：标准横断面为0.525m(外侧护栏)+11.5m(机动车道)+0.525m(外侧护栏)，桥面宽度为12.55m。

1.3 问题的提出

原设计桥墩横向尺寸为7.05m，施工过程中由于各种偏差造成桥墩横向尺寸为6.95m，较原设计相差10cm。为验算桥墩横向尺寸减小10cm对桥墩受力的影响，建立了原设计模型和桥墩减少10cm后的模型进行承载力验算和正常使用阶段验算，确保减少后的桥墩满足设计使用要求。为方便描述，横向7.05m的桥墩称为原结构，6.95m的桥墩称为现结构[1-2]。

2 模型建立

采用有限元分析软件Midas Civil分别建立原结构和现有结构的空间杆系有限元模型，如图3所示，现阶段模型仅改变桥墩横向宽度即由7.05m改为6.95m。单个模型全桥共有单元111个，节点114个。主墩墩底固结，边跨设滑动支座，墩梁固结。主梁采用标号为C55混凝土，空心薄壁墩采用C40，承台采用C35，固结端采用刚臂模拟墩梁固结，主桥墩底按照固结处理，过渡墩设置滑动支座[3-4]。

图3 连续钢构有限元模型示意图

3 施工阶段桥墩内力分析

连续刚构施工阶段最不利状态时最大悬臂，此时分别考虑三种荷载工况：工况一是最大悬臂状态一侧不平衡重(单侧浇注按超方5%考虑)；工况二是最大悬臂状态超方+施工阶段横向风荷载；工况三是最大悬臂状态超方+施工阶段顺桥向风荷载[5]。根据桥位所在地选取基本风速为29.1m/s，根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)的规定对施工阶段风荷载进行计算，原结构主梁横向风荷载为20.1kN/m，桥墩横向风荷载为10.2kN/m，主梁顺桥风荷载为5.03kN/m，桥墩横向风荷载为10.7kN/m。现结构主梁横向风荷载为20.1kN/m，桥墩横向风荷载为10.2kN/m，主梁顺桥风荷载为5.03kN/m，桥墩横向风荷载为10.63kN/m[6]。计算结果如表1所示。

表1 施工阶段最大悬臂状态墩底内力对比表

通过对比可知，施工阶段最大悬臂状态现结构较原结构桥墩内力变化很小，两桥墩墩底轴力减小约0.1%；最大悬臂状态横向风荷载产生的内力相同；纵向风荷载产生的My最大相差0.12%。通过对比，施工阶段原结构和现结构桥墩内力变化很小，可忽略不计。

4 成桥阶段桥墩内力分析

对原结构和现结构的成桥运营阶段进行承载能力和正常使用状态计算分析。承载能力状态考虑恒载+温度+百年风的基本组合，正常使用状态考虑恒载+活载+温度+运营风的频遇值组合[7]。

4.1 承载能力极限状态

根据桥位选取百年基本风速为29.1m/s，根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)的规定进行计算，计算结果如表2所示。

表2 承载能力极限状态桥墩内力对比表

通过对比可知，成桥阶段按照承载能力极限状态进行内力组合，现结构较原结构桥墩内力变化很小，可忽略不计。

4.2 正常使用极限状态

成桥阶段运营风速为25m/s，根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)的规定进行计算，计算结果如表3所示[8]。

表3 正常使用极限状态桥墩内力对比表

通过对比可知，成桥阶段按照正常使用极限状态进行内力组合，现结构较原结构桥墩内力变化很小，达不到0.01%，亦可忽略不计。

5 现结构墩身承载力分析

现状结构桥墩墩身截面尺寸为6.95×6m(横向×顺向)，竖向钢筋根数及直径维持原结构，原结构主筋直径为32mm，并2排布置，横向布置56排，单侧共计112根，顺桥向布置48排，单侧共计56根，钢筋中心距外边缘7.5cm；箍筋直径为16mm，竖向间距10cm。根据第4.1节计算承载能力极限状态下桥墩的内力，对墩身承载力进行验算，计算如表4和表5所示。

从表4和表5可以看出现结构桥墩顺桥向和横桥向设计承载力安全系数均大于1，满足设计使用要求。

表4 承载能力极限状态桥墩顺桥向验算表

表5 承载能力极限状态桥墩横桥向验算表

以上分析结果表明该桥桥墩由于施工误差造成横向尺寸减少10cm后，无论施工阶段还是成桥运营阶段影响都不大，现有结构承载力验算亦满足要求，同时桥墩全截面受压无裂缝。但桥墩横向尺寸较主梁少10cm(桥墩横向6.95m，主梁横向7.05m)，对墩梁结合部位施工工艺要求较大，为保证竖向传力顺畅，初步提出桥墩竖向钢筋在墩顶做喇叭口形与主梁竖向钢筋焊接的处理措施，焊接长度和伸进长度满足规范要求[9-10]。

6 结论

(1)施工阶段最大悬臂状态现结构较原结构桥墩内力变化很小，桥墩墩底竖向轴力减小约0.1%；最大悬臂状态时纵向风荷载产生的横向弯矩最大相差0.12%，横向风荷载产生的内力相同，故现结构内力变化可忽略不计。

(2)成桥阶段现结构较原结构桥墩内力变化很小，可忽略不计。

(3)现结构桥墩按原结构配筋承载能力极限状态安全系数均大于1，满足设计要求。

(4)本桥墩横向减少10cm对桥墩受力影响较小，但对墩梁固结位置施工要求较高，施工中应避免该种状况发生。