大跨高低墩连续刚构桥主墩力学性能研究

游 鑫

(中国有色金属工业第六冶金建设有限公司，河南 郑州 450006)

连续刚构桥跨越能力较强，施工难度小且经济性佳，凭借100～300 m跨径能力的桥型中的明显优势，在高速公路桥梁中得到了广泛应用。连续刚构桥上下部结构一般采用对称形式设计，而受山区地形限制跨越不对称山谷时采用高低墩形式利于环境保护并减少工程造价，此时不同主墩截面形式对上部结构施工过程中及成桥后的结构受力影响也不同，基于此开展计算分析从而为相关设计提供参考十分必要。大高差连续刚构桥研究方面，李民伟等针对大跨不等高墩连续刚构桥建立了不同墩高比的计算模型，研究了双肢薄壁式主墩结构受力情况。张顺民研究了高低墩墩高差分别小于30 m和大于40 m时主墩的内力与变形，从截面厚度、变截面和设置连系梁等方面进行了主墩受力优化分析。陈晨海研究了高低墩刚构桥主墩结构参数、墩高差、收缩徐变和温度等因素对主墩受力的影响。葛利杰以跨越某V形峡谷连续刚构桥为依托，对大跨不等高墩刚构桥合龙顶推理计算进行了研究，得出合理顶推力取高低墩顶推力的平均值为合理顶推力的结论。然而对于高低墩高差大于50 m的大跨连续刚构桥，即大高差连续刚构桥，目前针对其主墩在施工过程中下力学性能方面的研究还较少，尚需进一步深究。

1 高低墩连续刚构桥

连续刚构桥为超静定结构，一般采用等高、对称形式设计，上部结构主梁、下部结构墩柱的受力较简单，相应研究也较多。但当桥址位于V形山谷地区时，受地形因素限制，连续刚构桥仍采用等高桥墩设计会增加施工难度，对施工成本控制不利，且大方量开挖与回填也会对场地周边环境产生不利影响。因而采用主墩不对称即高低墩设计会成为优选方案，但与等高墩刚构桥相比，高低墩刚构桥结构受力将更复杂，尤其对于主墩高差较大的情况，即大高差墩大跨连续刚构桥。当主墩截面形式选择不同，高墩与低墩刚度存在较大差异，将对施工过程及成桥后结构受力安全、变形协调和稳定性产生影响。

连续刚构桥为墩梁固结形式，考虑混凝土收缩徐变和温度作用将导致上部结构变形，因此主墩需具备一定变形能力。目前大跨连续刚构桥主墩截面设计一般包括三种截面形式：双肢薄壁式、箱型薄壁式和箱型薄壁-双肢薄壁组合式。

2 计算模型建立

2.1 工程背景

华溪河特大桥为三跨预应力混凝土连续刚构桥，主跨180 m，主墩依设计采用高低墩形式，主墩和上部结构箱梁混凝土分别为C40和C55，设计车辆荷载等级为公路-Ⅰ级，上部结构主梁采用纵、横、竖三向预应力体系，主梁宽12.55 m，上部箱梁高度和底板厚度按1.8次抛物线变化，单个T构划分为22个梁段，采用挂篮悬臂浇筑施工。

2.2 有限元模型

在大跨连续刚构桥主墩截面设计中，考虑墩身强度、刚度、稳定性等要求，一般优先采用箱型空心墩、双肢薄壁墩及其组合式墩。根据不同形式主墩截面，对华溪特大桥主墩拟定共考虑以下4种方案，利用midas Civil建立对应有限元仿真计算模型：

方案1：高低墩均采用箱型薄壁式；

方案2：低墩采用双肢薄壁式，高墩采用箱型薄壁式；

方案3：高低墩均采用双肢薄壁式；

方案4：低墩采用双肢薄壁式，高墩采用箱型-双肢薄壁组合式。

其中，当低墩采用双肢薄壁截面形式时，在对应1/2双肢墩高处布置一道横系梁；高墩采用双肢薄壁式时分别在1/3和2/3墩高处布置一道横系梁。

依据midas Civil建立各方案对应的全桥仿真模型并划分施工阶段，模型中上部结构主梁截面、预应力束、边界条件等均保持不变，墩梁和墩底均固结。

3 不同墩截面的结构受力分析

3.1 裸墩状态抗侧移刚度

4种设计方案中共包含低墩2种截面形式和高墩3种截面形式，基于此建立不同主墩截面形式下对应的裸墩有限元模型，计算所得高低墩不同形式下的抗侧移刚度如表1所示。

由表1知，若高低墩墩高不变，且主墩横断面的面积相等，低墩采用箱型薄壁式时，无论横桥向还是纵桥向的抗侧移刚度均比双肢薄壁式大；高墩的3种截面形式中，纵、横桥向的抗侧移刚度由大到小均为箱型薄壁式、组合式和双肢薄壁式。方案1～4的高低墩纵桥向抗侧移刚度比分别为0.19，0.81，0.33和0.45；横桥向抗侧移刚度比分别为0.18，0.27，0.18和0.24。

表1 不同截面主墩抗侧移刚度 单位：kN·m-1

3.3 最大悬臂状态稳定性

高低墩刚构桥施工过程中，高墩最大悬臂状态为稳定分析最不利阶段，对应状态下的稳定性分析是高低墩刚构桥设计中必须考虑的关键问题。对高墩的3种截面形式下对应的最大悬臂状态进行屈曲模态计算，结果如表2所示。

表2 高墩最大悬臂状态稳定分析结果

由表2所得不同截面的高墩最大悬臂状态前3阶屈曲模态知，三种截面形式下对应的稳定系数均大于4，表明三种方案在最大悬臂状态的稳定性均满足施工安全要求。三种高墩截面形式中，以箱型薄壁式稳定性最高，组合式次之，双肢薄壁式稳定性相对较低，即施工过程中方案1和2的高墩最稳定，方案4次之，方案3高墩采用双肢薄壁式截面时在最大悬臂状态下的稳定系数最低。

3.3 成桥后结构受力状态

(1)成桥铺装全桥稳定性

高低墩成桥后各方案全桥稳定性计算通过屈曲模态得到，4种方案对应的屈曲模态前三阶计算结果如表3所示。与高墩最大悬臂状态稳定性相比，在中跨合龙施工完成后，体系由静定结构转化成高次超静定结构，4种方案的整体稳定性均得到了显著提升。依据表3计算结果知，高低墩刚构桥成桥后发生失稳主要为横向失稳，其中主墩若采用柔度较大的双肢薄壁式截面形式，前二阶稳定系数较接近，失稳形式分别为横向失稳和纵向失稳。

表3 成桥后全桥稳定计算结果

(2)成桥十年结构受力与变形

基于全桥有限元仿真模型，高低墩刚构桥在合龙前不施加顶推力时，4种方案在十年收缩徐变下主墩内力、墩顶位移及主梁跨中下挠计算结果如表4所示。若考虑合龙前施加顶推力，其计算一般需先确定最佳顶推量。考虑实际施工中，完全消除墩顶水平位移是不必要的，原因主要在于合龙阶段过大的顶推力会对主墩墩顶和墩底受力不利，尤其是对于刚度较大的低墩而言。因此依据大跨高墩连续刚构桥合龙顶推计算理论及参考相关工程经验，本文按式1确定最佳顶推量。在4种方案中包含低墩2种截面形式和高墩3种截面形式，假定合龙前施工现场温度满足设计要求，各方案对应的最佳顶推量确定及顶推力计算如表5所示。

=(++×80)

(1)

表4 合龙前无顶推十年收缩徐变作用下墩梁内力与变形

表5 不同截面主墩最佳顶推量及顶推力

高低墩顶推力的计算，参考相关研究可取两墩最有利顶推力的平均值。因而可确定方案1～4的最佳顶推力分别为1 800 kN、1 450 kN、800 kN和950 kN。由此可知，不同墩截面形式的高低墩刚构桥最有利顶推力存在较大差异，设计时应综合考虑高低墩墩顶水平偏位和主墩受力情况确定。将所得最佳顶推力分别施加于计算模型中，得到各方案顶推施加后和成桥十年后主墩的受力与变形情况，如表6所示。

表6 合龙前施加顶推力墩梁内力与变形

通过对比表4和表6可知，主墩受力方面，各方案在合龙前施加顶推力后均明显改善了高低墩受力情况，其中主墩弯矩和最大剪力均显著减小；主墩变形方面，墩顶位移和上部结构十年收缩徐变阶段的最大下挠值在施加的计算顶推力作用下明显减小。此外，若大高差墩主墩刚度相差很大(方案1)，则无论顶推与否，低墩墩顶墩底的弯矩和剪力均较大，受力较不利；若主墩刚度较接近(方案2)，合龙前施加顶推力能有效减小主墩最大剪力，且成桥十年后高低墩墩顶水平偏位基本相同；若高低墩均采用柔性较大的双肢薄壁式截面时(方案3)，则无论顶推与否，高墩和低墩所受剪力均较小，变形较大，但通过施加合理顶推力可有效改善成桥后高低墩水平偏位差值，达到优化线形的目的；方案4较方案3，其高墩底弯矩和主墩剪力较大而高墩水平偏位较小，亦可通过顶推进行优化结构受力。

4 结 论

(1)高低墩刚构桥主墩设计尽量避免均选择箱型薄壁墩。主要在于施工阶段的稳定性虽能得以保证，但较大的主墩抗侧移刚度会使结构难以满足成桥十年后的变形需求且对主墩抗剪能力要求较高。

(2)高低墩刚构桥主墩设计采用双肢薄壁式低墩，箱型薄壁式高墩时，主墩稳定性较好，且主墩的受力优化及线形改善均可通过施加合理顶推力实现。

(3)高低墩刚构桥主墩均选择柔度较大的截面设计时，考虑施工阶段尤其高墩的稳定性要求及成桥十年墩顶偏位，箱型-双肢薄壁组合式较双肢薄壁式为优，主墩受力方面也可通过顶推进一步优化。