裝配式鋼管混凝土格構(gòu)墩設計研究

楊 凱，劉婉玥

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088 2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,對公路交通建設的要求也越來越高,尤其對山區(qū)而言,公路交通已成為制約這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。受地形條件限制,在這些地區(qū)進行公路建設經(jīng)常要跨越河流、峽谷等復雜地形,高橋墩的修建日益增多。高墩結(jié)構(gòu)形式一般比較復雜,往往采用空心薄壁墩,其混凝土澆筑體量較大,施工速度較慢,不能適應山區(qū)工業(yè)化建造需求[9-10]。

本文結(jié)合山區(qū)特點,提出一種可裝配化施工的鋼管混凝土格構(gòu)墩。裝配式鋼管混凝土格構(gòu)墩的研究可實現(xiàn)山區(qū)的工業(yè)化高墩建設,提升項目的建設速度,產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益;工業(yè)化建造可以實現(xiàn)綠色化建造,最大程度上減少對橋址周圍的環(huán)境破壞,實現(xiàn)集約化發(fā)展。本文依托某山區(qū)實際工程項目的建設,對裝配式鋼管混凝土高墩進行初步研究與分析。

1 工程概況

某山區(qū)高速致力于打造旅游公路與綠色公路。全線采用雙向四車道高速公路標準建設,設計時速80 km/h,路基寬度25.5 m。該項目位于皖南山區(qū),橋址條件復雜,地震峰值加速度.05g。該項目涉及眾多高墩的建設問題,為減少對現(xiàn)有環(huán)境的擾動,實現(xiàn)山區(qū)橋梁工業(yè)化建造,部分區(qū)段橋梁設計上部結(jié)構(gòu)采用裝配式雙主梁鋼板組合梁橋,下部結(jié)構(gòu)采用裝配式鋼管混凝土格構(gòu)墩。

圖1 某一聯(lián)橋跨布置示意圖

2 格構(gòu)墩構(gòu)造與體系設計

格構(gòu)墩主要承載構(gòu)件為鋼管混凝土墩柱,內(nèi)壁的混凝土可防止鋼管的局部失穩(wěn)。格構(gòu)墩體系由4根鋼管混凝土柱、蓋梁、承臺與柱間支撐組成,見圖2。鋼管混凝土柱由鋼管內(nèi)包空心混凝土柱組成,鋼管使用定型鋼管,內(nèi)部混凝土可采用C60～C80混凝土,鋼管混凝土柱在工廠高速離心形成。根據(jù)墩高不同,鋼管混凝土柱選用不同截面,對于40～50 m墩高,一般將墩柱分為3段,上段截面形式為SC700-110-10(表示直徑為700 mm,壁厚為110 mm,鋼管壁厚為10 mm的鋼管混凝土),中段截面形式為SC700-110-12,底段截面形式為SC700-110-14。底部節(jié)段外包3 m高鋼筋混凝土,節(jié)段之間采用法蘭連接,可根據(jù)設計墩高對節(jié)段長度進行調(diào)整。

墩柱之間通過橫撐鋼管連接成整體,在滿足鋼管混凝土柱穩(wěn)定的基礎上,格構(gòu)墩的橫撐布置形式對格構(gòu)墩承載力影響較小[1-3],橫撐的型式與布置對格構(gòu)墩的整體剛度起到重要作用。

圖2 格構(gòu)墩設計

本文從剛度方面對橫撐形式進行研究。根據(jù)設計條件,鋼管混凝土墩柱之間的橫向連接主要有3種型式,圖3中從左至右依次為:斜撐、K形支撐Ⅰ與K形支撐Ⅱ。

圖3 墩柱之間橫向支撐型式

表1 不同支撐型式剛度對比

通過在墩頂施加橫橋向集中力1 kN對比分析3種支撐形式的剛度與受力行為。對比分析3種橫向支撐型式剛度,斜撐抗側(cè)推剛度最大,其次為K形支撐Ⅰ,K形支撐Ⅱ。傳力路徑越直接,其剛度越大,如果只基于結(jié)構(gòu)受力性能方面考慮,斜撐是最優(yōu)的選擇。但基于實際工業(yè)化建造的需要,斜撐不利于格構(gòu)墩的分段,K形支撐形式可實現(xiàn)分節(jié)段組裝,因此綜合考慮,選擇K形支撐Ⅰ作為格構(gòu)墩柱橫向支撐型式。

格構(gòu)墩柱縱向距離較小,通過平撐進行連接,易知平撐布置數(shù)量愈多格構(gòu)墩的縱向剛度愈大。平撐的布置須從受力、材料用量與節(jié)段劃分綜合考慮。

3 墩梁連接體系設計

為使上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)剛度相適配,上部結(jié)構(gòu)同樣也選擇使用鋼混組合結(jié)構(gòu)——雙主梁鋼板組合梁[6],跨度布置為4×40 m。鋼板組合梁采用預制橋面板,鋼主梁工廠加工而成,具有自重輕、結(jié)構(gòu)簡潔,可實現(xiàn)全裝配化等特點[7,8]。

圖4 上部結(jié)構(gòu)鋼板組合梁標準斷面

在傳統(tǒng)高墩設計中,一般使用墩梁固結(jié)體系,增大整體剛度。本文對3種支座布置型式進行分析對比:

(1)墩梁固結(jié),中間墩全部與上部結(jié)構(gòu)固結(jié);

(2)一般支座布置,只在一個中間墩設置固定支座,限制上部結(jié)構(gòu)縱向自由度,如圖5所示;

(3)多固定支座布置,除端支座外,中間支座全部采用固定支座,增大上下部結(jié)構(gòu)整體縱向剛度,如圖6所示。

對3種支座布置形式結(jié)構(gòu)受力進行分析對比,恒載作用下彎矩，如圖7所示。

圖5 一般支座布置形式

圖6 多固定支座布置形式

圖7 恒載作用下彎矩分布(kN.m)

表2 不同支座布置彎矩對比

從以上計算結(jié)果可以看出:多固定支座布置與一般支座布置形式上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的差別較小;而墩梁固結(jié)跨中正彎矩減少,墩頂不利負彎矩增加。

采用墩梁固結(jié),使中支點處構(gòu)造復雜,墩頂不利負彎矩增加;采用多固定支座布置,可以限制主梁縱向自由度,釋放轉(zhuǎn)動自由度,實現(xiàn)限制部分墩頂位移的設計需求。在3種支座布置形式中,最終選用多固定支座布置。

4 施工方式

格構(gòu)墩目前節(jié)段最大重量為82t,一般節(jié)段重量為65t。根據(jù)現(xiàn)場地形情況與格構(gòu)墩設計高度,可選擇塔吊作為起吊設備。

裝配式鋼管混凝土格構(gòu)墩一般施工流程:1.施工樁基與承臺,承臺預留與墩柱連接杯口;2.墩柱與橫撐在工廠下料預制而成,運至施工現(xiàn)場,橫撐與墩柱焊接進行節(jié)段拼裝;3.使用塔吊整節(jié)段吊裝就位,節(jié)段之間使用法蘭連接;4.澆筑蓋梁。其中節(jié)段吊裝為格構(gòu)墩施工的關鍵工序,節(jié)段直接采用法蘭連接,可避免高空焊接[5]。

圖8 施工流程示意圖

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 全橋有限元模擬

整體計算采用桿系單元,采用MIDAS CIVIL 2020,鋼板組合梁與鋼管混凝土均采用MIDAS內(nèi)置聯(lián)合截面進行模擬,由于橋址處地址為巖石地基,墩底邊界約束條件直接固結(jié)約束,其有限元模型見圖9支座采用彈性連接進行模擬,對于橫向活動支座,其允許位移值為50 mm,縱向活動支座的允許值為100 mm,對于活動支座的模擬需要采用雙折線模型。

圖9 全橋有限元模型

5.2 鋼管混凝土墩柱承載能力分析

空心鋼管混凝土柱的承載能力根據(jù)《實心與空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程CECS254:2012》計算[2]。該規(guī)范基于“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”,即把鋼管混凝土看作一個統(tǒng)一體,視為是一種“組合材料”[4]。根據(jù)有限元分析,墩柱截面最大彎矩274 kN·m,最大軸力為5 071 kN,因為該墩為格構(gòu)式受力構(gòu)件,墩柱所受彎矩與軸力均有較大富余量。除驗算彎矩、軸力、剪力單項荷載作用下的截面承載力外,還須驗算彎矩、軸力與剪力耦合作用下的受力行為:

式中，N,M,V為格構(gòu)墩柱設計內(nèi)力,N、M、V為截面承載能力,βm為等效彎矩系數(shù),φ為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù),NE為受壓柱的臨界穩(wěn)定承載力。

表3 墩柱承載力計算結(jié)果

5.3 穩(wěn)定分析

對格構(gòu)墩進行整體屈曲分析,可得到其一階失穩(wěn)模態(tài)為整體縱向失穩(wěn),說明縱向剛度最為薄弱,其失穩(wěn)荷載為11.2×(恒載+制動力+活載),穩(wěn)定性滿足設計要求。

圖10 一階失穩(wěn)模態(tài)

5.4 抗震分析

由于最大墩高超過40 m,需要進行抗震分析。其抗震設計基本信息見表4。

表4 抗震設計基本信息

輸入E1與E2作用下的反應譜,計算兩種地震荷載組合下的結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力響應。

由于峰值加速度較小,且結(jié)構(gòu)自振周期避開場地周期,經(jīng)分析地震作用下結(jié)構(gòu)仍處于線彈性范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)承載力富余較大,結(jié)構(gòu)安全可靠。

另外還需對法蘭連接中的高強螺栓、法蘭板厚度進行計算,本文不作贅述。

6 結(jié)束語

本文對裝配式鋼管混凝土格構(gòu)墩的結(jié)構(gòu)體系與受力行為進行了較全面的研究,證明其結(jié)構(gòu)的可靠性與優(yōu)越性。采用裝配式鋼管混凝土格構(gòu)墩利于鋼結(jié)構(gòu)技術的推廣發(fā)展,為橋梁橋墩設計與建設提供一種新的可行方案,一定程度上推動橋梁技術的進步,將產(chǎn)生一定的社會效益與產(chǎn)業(yè)效益。