對(duì)橋梁墩頂抗推剛度的思考

趙德強(qiáng) 劉美玲 孫小艷

1 截面剛度與橋梁下部計(jì)算時(shí)需用到的墩臺(tái)抗剛推剛度的區(qū)別

剛度是構(gòu)件承受外力作用時(shí)抵抗外力變形的能力。說起剛度，我們自然的想起構(gòu)件在承受拉伸(軸向力N)、扭轉(zhuǎn)(扭矩T)、彎曲(彎矩M)時(shí)所用到的剛度:拉伸時(shí)的抗拉(壓)剛度EA、扭轉(zhuǎn)時(shí)的抗扭剛度GIP、彎曲時(shí)的抗彎剛度EI。軸向應(yīng)變而易見，單位變形等于作用力除以剛度。剛度EA，GIP，EI為構(gòu)件的截面剛度，同一構(gòu)件上的不同截面(隨著截面幾何形狀的改變)剛度不一定相同。比如由支點(diǎn)的實(shí)心截面過渡到跨中的空心截面，在過渡段中截面的剛度是不斷變化的。而橋梁下部計(jì)算時(shí)所需用到的墩臺(tái)抗推剛度，是針對(duì)整個(gè)墩臺(tái)而言的，包括地基基礎(chǔ)。對(duì)于剛度，現(xiàn)在研究的對(duì)象是由“構(gòu)件截面”改變?yōu)椤罢麄€(gè)結(jié)構(gòu)”。對(duì)于給定的一個(gè)橋墩包括地基基礎(chǔ)，該墩頂?shù)目雇苿偠仁俏ㄒ坏?。?jiǎn)單的說墩頂抗推剛度的計(jì)算模式就相當(dāng)于一端固定、一端自由的懸臂柱子(柱頂為自由端)，在柱頂發(fā)生單位水平位移時(shí)，所需的柱頂水平力的大小，即為墩頂抗推剛度值，也即柱頂單位水平力所引起的柱頂水平位移的倒數(shù)。

橋梁上部結(jié)構(gòu)主要承受恒載、活載、溫度和汽車制動(dòng)力作用。這些作用都無一例外的由上部結(jié)構(gòu)傳至下部結(jié)構(gòu)再傳給地基。上部恒載、活載主要轉(zhuǎn)化為豎向力和彎矩作用于墩頂;溫度變化(包括收縮徐變)引起上部結(jié)構(gòu)(梁)的伸縮，必帶動(dòng)墩頂發(fā)生水平位移，顯而易見，該水平位移值乘以墩頂抗推剛度(嚴(yán)格的講應(yīng)該是集成剛度:支座剛度與墩頂抗推剛度的集成剛度)，即為由溫度變化(包括收縮徐變)引起的作用于墩頂?shù)乃搅χ?汽車制動(dòng)力為縱向水平力，引起各墩頂發(fā)生大致相同的水平位移，所以汽車制動(dòng)力按墩頂抗推剛度(嚴(yán)格的講是集成剛度)分配。墩頂抗推剛度的“頂”字是必不可少的。

墩頂集成剛度計(jì)算詳見參考文獻(xiàn)［1］。

2 墩臺(tái)頂抗推剛度的簡(jiǎn)單推導(dǎo)

1)一端固定(墩底)、一端自由(墩頂)的等截面柱，結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算圖示如圖1所示，即墩底(樁頂)與地面或沖刷線平齊時(shí)墩頂抗推剛度的計(jì)算，墩身截面全長(zhǎng)不變，墩身抗彎剛度恒為EI。利用圖乘法:

圖1 一端固定、一端自由的等截面柱結(jié)構(gòu)力學(xué)圖

2)一端固定(墩底)、一端自由(墩頂)的等截面柱，材料力學(xué)計(jì)算圖示如圖2所示，根據(jù)梁的撓曲線近似微分方程:EIv″=-M(x)=Ph-Px，積分兩次，再根據(jù)變形相容條件，當(dāng)x=0時(shí)，轉(zhuǎn)角v'和撓度v都等于0，可得撓曲線方程當(dāng)x=h時(shí)，可得自由端撓度P=1時(shí)同樣可得墩頂抗推剛度

圖2 一端固定、一端自由的等截面柱材料力學(xué)圖

墩頂?shù)膭偼苿偠仁怯啥丈斫孛婵箯潉偠菶I和墩高h(yuǎn)組成的一個(gè)表達(dá)式。結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)該兩種計(jì)算方法都忽略了剪力和軸向力的影響，一般情況下墩高比墩身截面大好多，不影響精度。兩種計(jì)算方法殊途同歸。

墩底(樁頂)在地面或沖刷線平齊處并非完全嵌固，當(dāng)在墩頂受到P=1作用時(shí)，則樁頂受到P=1，M=P×h=h和豎向力N(豎向力N不影響墩頂抗推剛度的計(jì)算，在這里忽略)的作用，樁土需要協(xié)調(diào)變形，則樁頂必產(chǎn)生變形。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》可計(jì)算出當(dāng)單位水平力作用在樁頂時(shí)，樁頂處產(chǎn)生的水平位移和轉(zhuǎn)角當(dāng)單位彎矩作用在樁頂時(shí)，樁頂處產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)角。而此時(shí)樁頂受到P=1，M=h作用，根據(jù)疊加原理樁頂水平位移h，轉(zhuǎn)角h，到墩頂就為h2。另外當(dāng)墩底當(dāng)成嵌固處理時(shí)，墩頂受到P=1作用時(shí)，x墩頂1=上可知墩頂受到P=1作用，而且考慮土中樁的變形影響時(shí)，墩頂總的水平位移頂抗推剛度

3)一端固定(墩底)、一端自由(墩頂)的不等截面柱，結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算圖示如圖3所示，即樁頂高于地面或沖刷線時(shí)墩頂抗推剛度的計(jì)算，設(shè)墩身抗彎剛度為E1I1，樁身抗彎剛度為E2I2。

圖3 一端固定、一端自由不等截面柱結(jié)構(gòu)力學(xué)圖式

由圖乘法得(見圖3):

3 單薄壁墩與雙薄壁墩抗推剛度的比較

設(shè)單薄壁墩的截面尺寸為B×2H，雙薄壁墩其中一個(gè)薄壁的截面尺寸為B×2H，墩高均為h，這樣兩種情況材料用量相等。對(duì)單薄壁墩，其順橋向墩頂抗推剛度為:

對(duì)于雙薄壁墩其順橋向抗推剛度為:

由以上兩式計(jì)算結(jié)果可知單薄壁墩的墩頂抗推剛度是雙薄壁墩的4倍，因此采用雙薄壁墩不僅可以削減墩頂負(fù)彎矩峰值，而且因其抗推剛度小，可以有效地減小梁體水平位移(由于溫度變化和混凝土收縮徐變等引起的)對(duì)墩身的影響。另外雙薄壁墩抗彎扭性能也比單薄壁墩強(qiáng)。

以上就是筆者對(duì)橋梁墩臺(tái)頂抗推剛度的一些簡(jiǎn)單思考，希望能與初學(xué)者共勉。

［1］ 袁倫一．連續(xù)橋面簡(jiǎn)支梁橋墩臺(tái)計(jì)算實(shí)例［M］．北京:人民交通出版社，1998．

［2］ 姚玲森．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2008．