多跨矮塔斜拉桥超高墩合理形式比选

苗建宝,刘亚文,张小亮 ,雷 浪

(1.西安公路研究院有限公司,西安 710065;2.湖南大学,长沙 410082)

近年来,我国交通建设重心由东部向西部转移,山区桥梁建设需求随之增大。受地形、地貌、地质条件等因素限制,高等级公路穿越山区时越来越多地采用超高墩、超大跨、超长联形式的桥梁,很多大跨桥梁墩高度超过了100 m(通常认为墩高超过100 m为超高墩),其中贵州的赫章特大桥,墩高达195 m,为国内之最[1]。超高墩作为多跨矮塔斜拉桥的关键构件,其形式在很大程度上影响结构的刚度、稳定性和动力特性,在相同工况下结构的内力分布、构件变形差别巨大,其动力特征和响应不同。

为控制正常使用阶段大跨超高墩桥梁受多种荷载作用产生的变形和次内力,提高施工阶段和成桥运营阶段结构的整体稳定性,避免因地震造成过大的经济财产损失,急需对其合理构造及其结构受力分析开展研究。

目前超高墩常用结构形式为薄壁空心墩,有关此类墩型的研究成果颇丰。同时有一种近年新发展起来的钢管混凝土桥墩,针对此类墩型的研究尚处于起步阶段。Dong等[2]对连续刚构桥的两种形式的钢筋混凝土桥墩进行了内力分析和非线性稳定比选;Li等[3]研究了新型柱-板结构桥墩的抗震性能;冯亚成等[4]、刘亚文[5]、陈仕刚等[6]也对高墩结构形式进行了比选研究。部分学者开展了结构稳定性和抗震性能研究。Zhao等[7]对高墩抗震性能研究表明高墩的底部和顶部区域在沿纵向的轻度和中度损伤阶段更为脆弱,只有底部区域容易沿横向发生损伤;Zhou等[8]对新型柱板式高墩的比例模型进行了低周反复荷载试验;刘建佳[9]、刘亚文[10]针对几座超高墩桥梁研究了计算长度和横系梁布置对施工阶段和成桥阶段稳定性的影响;刘子心等[11]、何浩祥等[12]针对超高墩形式对结构抗震性能的影响进行了系统研究。目前针对超高墩性能的研究比较完善,但对各种墩型的综合对比研究则主要集中在连续刚构桥,针对矮塔斜拉桥的相关研究较少。

文中以一座超高墩矮塔斜拉桥为例,深入对比各种桥墩结构的布置形式和受力特点,并利用Midas/Civil有限元软件研究双薄壁墩、单薄壁墩、组合式墩、叠合式墩的力学特性、稳定性和抗震性能,并结合工程实际进行对比,讨论各方案的适用性。

1 依托工程概况

文中以王家河特大桥为例展开研究(见图1)。主桥上部结构采用(125.1+4×230+125.1) m预应力混凝土矮塔斜拉桥,塔、墩、梁固结,单联长度1 170 m。主梁采用预应力混凝土大悬臂变高度单箱三室斜腹板截面,箱梁顶板宽29.5 m,桥面以上塔高36 m。纵桥向塔柱桥面以上12 m范围内为渐变段,宽度由6 m 直线变化至9 m,斜率为1∶8,上塔柱为等截面,宽度为6 m。每个索塔设有 2×15对共30根斜拉索,全桥共150根斜拉索。主桥 10～14号主墩采用双薄壁空心桥墩,整体呈八边形形状,双肢间距为2m,最高墩144 m,如图2所示。设计荷载为公路-Ⅰ级。地震动峰值加速度: 0.2 g。桥梁抗震设防类别: A类,桥梁抗震设防等级:Ⅵ度。

图1 平面及立面布置(单位:m)

图2 桥墩平面及立面布置(单位:m)

综上所述,王家河特大桥为典型的高墩大跨及长联结构,双薄壁桥墩未设置横系梁以及横隔板,其存在明显的柔度效应。桥墩结构选型会影响结构整体性能。为获得桥墩的最佳布置方案,需要展开深入研究。

2 超高墩形式及特点分析

传统的矮塔斜拉桥桥墩主要形式包括单薄壁墩、双薄壁墩、组合式墩、四肢薄壁墩,这些薄壁空心混凝土墩施工方便,造价低廉,在实际工程中应用最广,是当前主流的超高墩形式。近年来发展起来一类抗震性能良好的新型空心钢管混凝土超高墩型式,包括钢管混凝土格构式墩、钢管混凝土叠合式墩及空心钢管混凝土墩等,但是该类桥墩的造价要高于传统混凝土桥墩。

2.1 双薄壁空心墩

双薄壁空心墩广泛应用于大跨径桥梁中,其构造特点是墩位处有两个互相平行的空心单肢,两肢间可设置横向联系以提高整体刚度和稳定性[13]。单肢截面多为矩形或箱形,墩顶、底一般设置实心段及过渡段。

双薄壁墩主要具有以下特点:1)双肢间可以通过调整距离改变截面的抗弯刚度,以抵抗悬臂施工期间的不平衡弯矩;2)分离双肢可以削减单墩顶部的主梁负弯矩峰值,便于优化主梁受力同时降低梁高;3)优化桥墩的截面、双肢距离、横系梁位置及数量,可有效降低结构次内力。

2.2 单薄壁空心墩

单薄壁空心墩为整体式墩身,常用截面形式有矩形、箱型等,桥墩顶部和底部需设置过渡至实心段[14]。另外,为确保局部受力与失稳,混凝土壁厚通常不小于50 cm。

双薄壁空心墩与单薄壁空心墩相比特点如下:1)截面为整体闭口截面,墩身抗扭刚度提升明显,适应上部结构施工稳定性要求;2)单薄壁空心墩的整体横纵向抗推刚度大,适应上部结构纵横向变形效应较差,可引起较大的结构次内力;3)施工周期短,施工质量易保证。

2.3 单、双薄壁组合式空心墩

单、双薄壁组合式空心墩是充分利用了两种桥墩各自优势而形成组合新结构形式,总体受力性能良好。组合式空心墩特点如下:1)优化桥墩断面形式、尺寸、双肢间距等设计可以形成受力合理的组合桥墩;2)桥墩施工稳定性及抗扭刚度等性能均介于同等条件下的单、双薄壁空心墩之间;3)组合式桥墩在单、双薄壁转换位置的截面形式突变可能导致局部受力不均;4)组合式桥墩为两种形式的组合,结构的构造变化,对于施工工艺和质量的控制都有较高的要求。

2.4 钢管混凝土格构式墩

钢管混凝土格构式墩是由单根或多根钢管混凝土柱肢通过缀杆连接起来而形成的组合构件。柱肢多采用圆形钢管混凝土截面,通常沿墩高逐渐改变各柱肢间的距离,形成变截面格构式墩。

与其他传统混凝土墩相比,格构式墩特征如下:1)该组合构件充分发挥了两种材料自身优势,相比混凝土墩,相同承载力下截面尺寸、墩身自重明显降低;2)结构受力性能良好,可根据结构要求调整结构的稳定性、刚度;3)可以设置多种形式的连接构造,改善结构受力状态;4)钢管混凝土结构的抗震性能良好,有效提升桥梁的抗震性能;5)可实现装配化施工,质量易于控制,施工周期短。

2.5 钢管混凝土叠合式墩

叠合式墩以钢管混凝土格构式为框架,同时在柱肢间与外层现浇钢筋混凝土结构形成组合式新结构[15]。该结构提升了钢管混凝土格构式墩的耐久性和抗火能力。

叠合式墩优势如下:1)外包钢筋混凝土结构可以提升结构刚度、承载能力及稳定性,但是降低了其变形能力;2)结构的抗震性能较传统结构提升显著,较格构式墩也有改善;3)格构式墩实施完成后可作为框架,降低后续外包施工费用,同时免除后期钢结构的维护费用。

2.6 其他新型超高墩

目前国内外通过对传统结构形式的优化,提出了空心钢管混凝土墩柱、双波折钢腹板连接的钢管混凝土墩柱、空心钢管墩柱等形式。

对以上形式墩柱进行了结构受力性能和抗震性能分析表明:空心钢管混凝土墩及空心钢管墩柱两种结构的抗震性能较传统混凝土桥墩更优,双波折钢腹板型抗震性能更优。但是目前没有以上新型超高墩的实例。

3 超高墩方案拟定

3.1 方案拟定

通过上一节对超高墩结构的分析,本节依托工程对矮塔斜拉桥的超高墩方案进行对比分析,选择了单薄壁空心墩、双薄壁空心墩、组合式空心墩、钢管混凝土叠合式墩四种结构形式开展其综合性能的研究。由于墩身抗推及抗弯刚度会显著影响上下部受力和变形,故将此作为对比指标。同时控制各墩型方案外围尺寸与原设计相同,控制墩顶、墩底截面换算面积一致。为简化计算,墩柱结构均偏安全地设置为等截面,四种方案截面尺寸如图3所示 。

图3 四种方案截面尺寸(单位:cm)

3.2 有限元模型

采用通用的空间有限元分析软件,建立依托工程主桥有限元模型,如图4所示。主墩、主梁及主塔均采用考虑剪切变形的梁单元模拟;采用桁架单元模拟斜拉索,由Ernst公式计算得到的等效弹性模量与材料弹模相差仅0.2%,故拉索垂度引起的非线性效应可忽略。该桥采用墩塔梁固结体系,采用共节点即可模拟。施工阶段根据实际施工工序进行,即主墩施工→主塔施工→梁体悬臂浇筑→合龙按照边跨至中跨顺序依次进行。荷载工况和荷载组合均按现行规范选取。

图4 王家河特大桥有限元模型

3.3 主墩有限元建模分析

按3.2节拟定的主墩四种结构形式调整了有限元模型如图5所示。组合式墩柱以及空心墩的单、双肢的交界处均采用弹性连接中的刚性连接模拟;采用共节点的梁单元模拟叠合式墩,以钢管、钢管内混凝土、外包的混凝土及腹板分别模拟。

图5 主墩有限元模拟

4 结构分析结果

4.1 梁墩内力和位移

4.1.1 主梁弯矩

有限元分析得到的四种主墩形式的墩顶及跨中截面的主梁弯矩如图6所示。

图6 墩顶主梁弯矩对比

由图可知,各个工况下双薄壁墩和组合式墩的负弯矩削峰作用十分明显,矮塔斜拉桥墩顶主梁弯矩低于其他方案约35%,其中双薄壁墩对温度荷载的适应性最强。

4.1.2 墩底弯矩

四种主墩形式主墩底截面的纵向弯矩如图7所示。由图可知,双薄壁墩底弯矩最小,如支座沉降工况下双薄壁墩底弯矩仅为其他形式墩的30%左右。可见,双薄壁墩的温度和变形荷载适应能力最好,组合式墩次之,叠合式墩和单薄壁墩则相对较差。

图7 墩底纵向弯矩对比

4.1.3 梁墩位移

四种主墩形式墩顶纵向位移如图8所示。由图可知,在四种工况下其他三种墩型墩顶位移大致相等,而双薄壁墩墩顶纵向位移最大,尤其在成桥恒载工况下,双薄壁墩10#和14#墩的位移差达到了25.9 cm,比其他三种墩型高出约40%,双薄壁墩的柔度效应十分明显。

图8 墩顶位移对比

4.2 整体稳定性

以矮塔斜拉桥的最大悬臂状态下11#墩和成桥阶段全桥为考察对象进行稳定分析,两种工况考虑荷载(所有荷载均为可变类型)列于表 1,分析得到的全局稳定安全系数如表2、表 3所示。

表1 稳定工况考虑的荷载

表2 最大双悬臂状态11#墩稳定安全系数

表3 成桥运营状态全桥稳定安全系数

由表可知,最大双悬臂状态下单薄壁墩、叠合式墩和组合式墩的稳定性基本接近,双薄壁墩前三阶均为纵向失稳。成桥状态下,整体稳定性良好,叠合式主墩的稳定安全系数最优。总体来看,四种主墩形式均可以满足施工期间及运营阶段的整体稳定性要求。

4.3 动力及抗震性能

根据规范,该桥的抗震设防烈度取Ⅷ级,反应谱特征周期与动峰值加速度分别为0.45 s和0.2 g,场地类型Ⅱ类。对四种主墩形式采用反应谱法测试,纵向、横向及竖向E1地震响应如表4所示,后采用二次项组合法分析得出地震荷载作用下主墩及主梁的内力和位移响应,如表5和表6所示。

表4 频率分析结果 Hz

表5 内力响应

表6 位移响应 mm

由模态分析结果可以看出:各方案前五阶振型基本相同;双薄壁墩一阶纵弯频率偏低,其他三种方案比较接近;组合式墩各阶频率介于单薄壁墩和双薄壁墩之间。

由内力和位移响应可知:双薄壁墩在纵向地震下弯矩、轴力最小,但位移较大;单薄壁墩和叠合式墩则与之情况相反;组合式墩的内力和位移响应比较均衡。横、竖向地震下四种方案的位移响应差别较小,双薄壁墩的内力响应最小。综上,组合式墩和叠合式墩抗震性能较好。

综上所述,四种主墩的结构形式各有优缺点。组合式墩、双薄壁墩可以降低结构次内力及地震作用的内力响应;单薄壁墩和叠合式墩可以减小服役期及地震作用下位移;组合式墩综合性能良好,结构适应性强;叠合式墩的抗震性能相比其他形式优越,但是墩柱的经济性差。对于长联矮塔斜拉桥位于变形零点的主墩,桥墩选择以保证刚度为主;对于其他桥墩,特别是边主墩,则需要在较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度之间寻求平衡。考虑矮塔斜拉桥抗震要求其具有较大的柔度,同时常规的斜拉桥是长周期结构,故很少受到震害。但矮塔斜拉桥主梁刚度大,跨度较常规斜拉桥小,其架构体系偏向于短周期结构,振动特性和地震响应特性就显得非常重要。综合对比同类主墩与主梁固结的墩柱形式,推荐采用双薄壁式墩及组合式墩;高度大于150 m及非主墩与主梁固结的墩柱宜采用单薄壁式墩。

5 结 论

文中按照墩身几何特征与原双薄壁墩相同的原则,拟定了单薄壁墩、组合式墩、叠合式墩结构形式。通过对比四种主墩形式的内力、施工和运营期稳定性以及抗震等,得到结论如下:

1)双薄壁墩和组合式墩对负弯矩有削峰作用,对常见引起结构次内力的荷载适应能力较好;而单薄壁墩和叠合式墩刚度大,在荷载作用下变形较小。

2)四种方案均满足施工阶段和成桥运营阶段下的稳定性要求,双薄壁墩前三阶均为纵向失稳且稳定安全系数变化较小;在E1地震荷载作用下,双薄壁墩内力响应最小,但位移响应较大,单薄壁墩和叠合式墩与之相反。

3)考虑到矮塔斜拉桥结构特点,建议同类矮塔斜拉桥主墩与主梁固结的墩柱形式采用双薄壁式墩及组合式墩;高度大于150 m及非主墩与主梁固结的墩柱宜采用单薄壁式墩。