橋墩剛度變化對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的內(nèi)力影響研究

陳大江

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋能夠適應(yīng)各類復(fù)雜的地形條件，具備較好的抗彎、抗扭、整體穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)性，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，該類橋梁越來(lái)越多地被運(yùn)用于各類公路橋梁的建設(shè)中[1，2]。研究表明，橋墩的抗推剛度是大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的關(guān)鍵性受力影響因素之一[2-5]。

隨著墩身剛度的改變，橋梁結(jié)構(gòu)上下部結(jié)構(gòu)的受力及總體穩(wěn)定性均會(huì)產(chǎn)生一定的變化。為降低橋墩剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力或總體穩(wěn)定的不利影響，對(duì)于高墩橋梁，往往采用抗推剛度相對(duì)較大的箱型空心墩；對(duì)于墩高較矮的橋梁，一般采用抗推剛度較小的雙肢薄壁墩[6，7]。主梁對(duì)橋墩剛度的約束影響，主要采用以下兩種計(jì)算模式[2，6]，如圖1所示。

圖1 橋墩剛度計(jì)算模式圖

圖1中的模式一適用于上部結(jié)構(gòu)對(duì)墩身轉(zhuǎn)角約束較大時(shí)的情況，模式二適用于上部結(jié)構(gòu)對(duì)墩身約束較小時(shí)的情況。兩種模式均受到主梁的部分水平約束，且假定墩與基礎(chǔ)固結(jié)。針對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁，主梁的剛度一般較大，主要采用模式一的計(jì)算方式。文章以某180m主跨跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，以模式一作為理論支撐，同時(shí)考慮上部結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用，研究墩身剛度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響，得出一般性結(jié)論，可為類似橋梁的計(jì)算及設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況及總體模型

某連續(xù)剛構(gòu)橋總體跨徑布置為(100+180+100) m，橋面寬度13.75 m，主梁采用變截面單箱單室結(jié)構(gòu)，根部梁高11 m，跨中梁高4.2 m，梁高呈二次拋物線變化，橋墩采用雙肢薄壁固結(jié)墩體系，如圖2所示。

圖2 主梁截面(單位：cm)

由于項(xiàng)目的縱坡及防洪等專題需要，橋墩高度設(shè)置為26 m。研究表明，隨著大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋墩高的增加，其剛度逐漸變小，對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及整體穩(wěn)定性的影響均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性[2-7]。為單純反應(yīng)橋墩截面剛度變化的影響，文章不再對(duì)墩高變化進(jìn)行研究，僅研究墩身不同截面尺寸及間距的影響。

依據(jù)平截面假定理論基礎(chǔ)，建立總體計(jì)算模型，如圖3所示。主梁及主墩分別按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件及普通鋼筋混凝土進(jìn)行分析，承臺(tái)底部進(jìn)行固結(jié)處理。為了準(zhǔn)確判定墩身剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響，設(shè)置以下兩種工況分別進(jìn)行研究，即：

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算方案及計(jì)算模型

(1)方案一：H暫定為8 m不變，D分別取值為1.6m、1.8m、2.0m。

(2)方案二：根據(jù)方案一，選擇最優(yōu)D值不變，H分別取值8m、8.5m、9m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)前述的理論研究，結(jié)合橋梁的總體特征，通過(guò)對(duì)不同方案計(jì)算，分別得出各自對(duì)應(yīng)的墩身抗力、裂縫、總體穩(wěn)定性及上部受力狀況，對(duì)比分析后尋找其變化規(guī)律，最終得出一般性結(jié)論。

方案一:H暫定為8 m不變計(jì)算，3種D值的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 方案一計(jì)算結(jié)果表(H=8)

由表1中的計(jì)算結(jié)果可知，三種方案的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。隨著墩身厚度的增加，橋墩總體剛度變大，其墩身截面的抗力有所增加，結(jié)構(gòu)的總體穩(wěn)定性也有一定的改善。但裂縫會(huì)隨著橋墩墩身厚度的增加而增加，不利于橋墩使用性能及耐久性，對(duì)上部主梁結(jié)構(gòu)也會(huì)增加其應(yīng)力包絡(luò)峰值，降低其應(yīng)力儲(chǔ)備及安全性，綜合考慮后，本例可選擇截面相對(duì)較小的方案(即D=1.6m)。

方案二：選擇方案一的最優(yōu)D值1.6m不變，選擇3種不同的H值進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 方案二計(jì)算結(jié)果表(D=1.6m)

由表2中的計(jì)算結(jié)果可知，三種方案的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。隨著雙肢薄壁墩墩身間距的增加，橋墩總體剛度變大，結(jié)構(gòu)的總體穩(wěn)定有所增加，但其墩身截面的抗力基本保持不變。墩身裂縫會(huì)隨著橋墩墩身間距的增加而增加，不利于橋墩使用性能及耐久性，對(duì)上部主梁結(jié)構(gòu)同樣會(huì)增加其應(yīng)力包絡(luò)峰值，降低其應(yīng)力儲(chǔ)備及安全性。綜合考慮后，本例可選擇墩身間距為8m的方案。

3 結(jié) 論

(1)隨著橋墩截面或雙肢間距的增大，橋墩自身剛度及結(jié)構(gòu)的總體穩(wěn)定性均會(huì)有所增加。從結(jié)構(gòu)自身剛度考慮，其結(jié)果趨向于有利；從結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度考慮，增大截面面積會(huì)有明顯的結(jié)果，但增加墩身間距對(duì)其影響不大。

(2)橋墩自身剛度的改變對(duì)上部結(jié)構(gòu)的受力同樣會(huì)產(chǎn)生一定的影響。隨著橋墩截面或雙肢間距的增大，其主梁的最大壓應(yīng)力有所增加，最小應(yīng)力儲(chǔ)備也會(huì)隨之減少。與此同時(shí)，橋墩截面的裂縫會(huì)隨著其自身剛度的增加而變大。因此，從墩身裂縫控制及主梁應(yīng)力方面考慮，其結(jié)果趨向于不利。

(3)在橋墩高度保持不變的情況下，為使得結(jié)構(gòu)總體受力合理，應(yīng)對(duì)不同的橋墩尺寸進(jìn)行充分計(jì)算，充分考慮各種有利及不利的影響，權(quán)衡利弊后選擇合理的尺寸方案。