分幅高墩连续刚构主墩结构行为研究

2023-09-02韩锋，杨华

山西交通科技 2023年3期

韩锋，杨华

（1.山西交科公路勘察设计院有限公司，山西太原 030032；2.山西工商学院，山西太原 030006）

0 引言

连续刚构桥梁利用桥墩的柔性适应梁体纵向变形，在高墩、大跨桥型中应用较广，是理想的桥型之一[1]。随着墩高及跨径的不断增大，其抗风稳定问题越显突出。尤其在最大悬臂状态下，墩身不仅承受其自身风压，上部主梁巨大的迎风面内风荷载也以均布力形式施加于墩顶，墩身以悬臂梁形式受力，墩底弯矩较大。

为了抵抗风荷载，常规做法是将加大墩身横向尺寸或者采用顶底放坡的变截面桥墩形式，无形中造成浪费或加大施工难度。本文以一座3×150 m 预应力混凝土分幅连续刚构桥为工程依托，对比分析了墩顶抗风横梁设置前后结构的抗风性能及采用单、双肢薄壁桥墩对桥梁整体结构的影响。

1 工程概况

选定工程为一座预应力混凝土连续刚构桥，主桥桥跨布置为（80+3×150+80）m。上部主梁采用变高度单箱单室箱形截面，顶部宽1 200 cm，底部宽650 cm，根部梁高930 cm，跨中梁高330 cm，梁高按1.7 次抛物线渐变；采用移动挂篮悬浇法施工，主梁0 号块长1 400 cm，每个现浇T 构纵向对称划分为19 个梁段[1-2]，其总体布置见图1 所示。

图1 刚构桥总体布置（单位：cm）

大桥采用上部结构分幅并建，下部结构为整体式承台；主墩采用等截面双薄壁空心墩，墩身横桥向宽850 cm，顺桥向宽350 cm，横向壁厚80 cm，纵向壁厚60 cm，双肢纵桥向净距500 cm，最高墩达118 m，左右幅桥通过墩顶抗风横梁连接，见图2 所示。

图2 抗风横梁构造（单位：cm）

2 抗风横梁对结构抗风性能影响

为对比抗风横梁设置前后桥墩受力状况，选取最高主墩22 号桥墩（如图1 所示），建立最大悬臂状态有限元模型（如图3 所示），其中主墩和主梁均采用梁单元模拟，墩梁固结段设置刚性连接，墩底采用固结。在计算动力风荷载作用下桥墩考虑了Ρ-Δ效应影响[3-4]。

图3 有限元模型

2.1 荷载施加

最大悬臂状态下考虑的荷载主要有恒载、挂篮及横向风荷载。恒载按照单元材料容重施加，0 号块横隔板和齿板重量以节点荷载形式施加；挂篮荷载按照每套1 000 kN 计。

作用在桥梁上的风荷载在时间和空间上是不断变化的复杂动荷载。在满足工程精度要求下，对风荷载做适当简化，抽象出其作用模型是允许和必要的。因此，为了考虑风的动力效应，在建立大桥有限元模型的基础上，将风荷载简化为较为相近的动力冲击荷载，分析其抗风性能。选择图4 所示的荷载模型作为桥梁动风载模型，并将其反复作用于桥梁结构上。

图4 动力风载时程图

其中，FM=2Fuh为动力风载最大值；Fuh为按照抗风设计规范计算的静阵风值，施工阶段风载重现期系数取0.84；T1为动力风载达到最大值FM的时间，取10 s；T2为动力风载达到最小值的时间，取20 s；T3为动力风荷载作用一个周期的时间，取25 s。

2.2 抗风性能计算结果

最大悬臂状态在恒载及动力风载作用下，桥墩内力计算结果见表1 所示。

表1 迎风面桥墩内力计算对比

从表1 可以看出，未设置抗风横梁时，在风荷载作用下，桥墩以悬臂状态参与结构受力，墩底横向弯矩为226 236.6 kN·m；设置抗风横梁后，迎风面与背风面桥墩整体受力，在风荷载作用下迎风面桥墩墩底弯矩降为77 750.5 kN·m，降幅达65.6%。同时在墩顶横桥向产生26 710.6 kN·m 的反向弯矩，迎风面桥墩墩底产生5 654.9 kN 的反向轴力，与恒载轴力叠加后仍为压力。

桥墩变形及应力响应对比见表2 所示。

表2 迎风面桥墩的变形及应力响应对比

表3 主要工程量对比

从表2 可以看出，设置抗风横梁后，迎风面与背风面桥墩整体受力共同抵抗风荷载，迎风面桥墩墩顶侧向位移由305 mm 减小为75 mm，降幅达75.4%，悬臂端位移减小幅度基本相当；未设置抗风横梁时，墩底截面出现2.2 MPa 的拉应力，且最大压应力达13.7 MPa；设置抗风横梁后，墩底截面应力分布相对均匀，最大压应力为8.1 MPa，最小压应力6.3 MPa，这缘于墩底弯矩大幅降低。墩顶截面在设置抗风横梁后出现了一定的应力波动，波动范围为0.2 MPa～0.5 MPa，未改变全截面受压的状态。

2.3 结构稳定性分析

为了对比设置抗风横梁前后桥墩的稳定性，将结构自重作为可变荷载对最大悬臂T 构进行第一类稳定计算。一阶失稳模态见图5 所示，一阶失稳模态均为墩柱顺桥向侧移失稳，但增加抗风横梁后，稳定安全系数由14.15 提高到17.07，增幅达21%。抗风横梁对提高最大悬臂T 构的稳定性起到一定作用。

图5 一阶失稳模态

3 主墩形式变化对结构影响

对于高墩大跨连续刚构桥型，常见的桥墩形式为单肢空心薄壁墩、双肢空心薄壁墩及两者的组合形式（以下简称单肢墩、双肢墩）。双肢墩结构整体抗弯刚度大、纵向抗推刚度小，能有效减小上部结构内力、温度、混凝土收缩徐变及地震力影响，且对墩顶负弯矩削峰作用明显，可减小主梁墩顶截面尺寸，因此连续刚构桥多采用双肢墩[5-8]。单肢墩作为设计方案中的一种，对于高墩大跨连续刚构桥也是一种理想墩型，同样应予以重视。以图1 中主桥为基准，分析桥梁由双肢墩调整为单肢墩对结构的影响，见图6 所示。

图6 结构有限元模型

3.1 单柱桥墩截面拟定

该桥采用对称悬臂法施工，主墩在最大悬臂状态下受力最为不利，根据最大悬臂状态下不平衡弯矩及稳定性要求确定单肢墩的截面尺寸，主墩的截面尺寸拟定为横桥向850 cm，壁厚80 cm，纵桥向800 cm，壁厚80 cm。该截面尺寸条件下，最高墩（22 号墩）稳定系数为13.5，满足稳定安全要求。同时也满足挂篮脱落、浇筑不同步、横向风等工况下的承载力要求。

3.2 墩型对上部结构的影响

通过结构计算分析，采用单肢墩上部主梁失去了双肢墩墩顶主梁弯矩消峰作用，同时受墩柱抗推刚度影响，主梁收缩徐变、温度效应增大，原主梁截面不满足受力要求，需增大主梁截面尺寸和预应力钢束用量。经计算，主梁截面高度需由根部930 cm 加高到1 050 cm，跨中由330 cm 加高到350 cm 方可满足结构受力需要。

3.3 施工工艺调整

将双肢墩改为单肢墩后，其抗推刚度约为原来的4倍（矩形截面）。在收缩徐变及整体升降温作用下，边墩将产生很大的弯矩。为满足墩柱受力要求，需要采取顶推措施改善边墩的受力，施加顶推力后，墩底弯矩减小为原来的70%，满足要求。原合拢顺序为边跨→次边跨→中跨，为配合次边跨合拢顶推，合拢顺序需调整为边跨→中跨→次边跨。次边跨合拢前需施加约200 t 顶推力。

3.4 对桩基承台的影响

单肢墩抗推刚度大，在收缩徐变及整体升降温作用下，桥墩及基础的纵向弯矩也相应增大；同时由于主梁加高、单肢墩截面尺寸大，导致结构整体的迎风面积增大，结构所受风荷载也显著增大。墩底纵、横向弯矩同时增大，双肢墩每个承台下布设22 根桩基，单肢墩桩基需增加到28 根，两种方案桩基布置见图7 所示。

图7 主墩下部构造平面图（单位：cm)

双肢墩方案桩基对承台的弯矩作用效应很小，承台厚度取400 cm 即可满足抗弯要求；单肢墩方案边桩远离墩柱，产生了较大的弯矩，承台需加厚到600 cm才能满足抗弯要求。

3.5 工程量对比

经计算，通过增加预应力、加大梁高并施加合拢顶推力后，主梁及桥墩各项验算指标基本满足规范要求。对比两种方案的主要工程数量，与双肢墩方案相比，单肢墩方案主墩的工程量有所减小，但上部主梁、桩基以及承台的工程量增加。综合比较，采用单肢墩方案后，混凝土增加14 862 m3，普通钢筋增加174 t，预应力钢绞线增加426 t，增加工程造价约2 300 万元。