周潤翔

(杭州市交通規(guī)劃設計研究院)

1 概 述

對于位于山間河谷地區(qū)，地形起伏大，同時橋墩高度較大的橋梁。本文設定墩高47.8 m(含蓋梁高度)，采用采用空心薄壁橋墩;橋梁上部結(jié)構(gòu)采用20m 鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁(平面位于60 m 半徑曲線上)，橋?qū)? m。計算對最高橋墩進行計算分析，驗算其安全性。

橋梁設計荷載等級為公路－Ⅰ級，區(qū)域內(nèi)場地穩(wěn)定，地震運動少，震級弱，計算中不考慮地震作用的影響，僅從構(gòu)造上設防。

本次計算根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60 －2004)及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62 －2004)中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2 橋墩計算

2.1 橋墩受力分析

橋墩的計算考慮豎向、縱橋向、橫橋向的受力情況，豎向荷載計入永久荷載和汽車荷載的作用;縱橋向計算考慮汽車制動力、溫差變化、混凝土收縮、徐變及縱橋向風荷載作用;橫橋向計算考慮汽車離心力(小半徑曲線內(nèi))及橫向風荷載作用。橋墩構(gòu)造圖如圖1 所示。

圖1 橋墩構(gòu)造圖

(1)豎向受力

橋墩豎向受力來自上部結(jié)構(gòu)自重、汽車荷載及橋墩自重等。計算考慮的橋墩豎向荷載。

上部恒載3 650 kN，橋墩自重1 2410 kN，汽車荷載最小0 kN，最大950 kN。

(2)縱向受力

橋墩縱向受力主要來自汽車制動力、溫度變化及上部結(jié)構(gòu)混凝土收縮、徐變以及縱向風荷載等幾個方面。

①汽車制動力效應計算

本橋行車道寬7 m，單向雙車道行車，汽車制動力分配時偏安全的不考慮過渡墩承擔制動力，按連續(xù)墩個數(shù)平均分配，制動著力點移至支座底座面。汽車制動力效應計算:

橋墩高度47. 8 m，墩頂水平力110 kN，墩底彎矩5 258 kN·m。

②溫度變化效應計算

溫度變化引起的上部結(jié)構(gòu)縱向變形在墩頂產(chǎn)生水平力，按降溫20 ℃考慮。溫度變化效應計算:墩頂位移4.0 mm，墩頂水平力25.9 kN，墩底彎矩1 238 kN·m。

③混凝土收縮、徐變效應計算

混凝土收縮、徐變引起的上部結(jié)構(gòu)縱向變形在墩頂產(chǎn)生水平力，其作用效應計算。

墩頂位移6. 0 mm，墩頂水平力38. 8 kN，墩底彎矩1 855 kN·m。

④縱向風荷載效應計算

風荷載根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》4.3.7 條規(guī)定計算。

本橋基本風速參照取V10=25.6 m/s，橋墩縱向風荷載作用效應計算。

墩頂縱橋向風壓Wd=1.24 kPa，墩身風荷載9.00 kN/m，墩底縱橋向風壓Wd=0.76 kPa，墩身風荷載5.52 kN/m;縱向風荷載墩底彎矩8 955 kN·m。

注:計算順橋向風荷載標準值時按風壓的70%計入。

(3)橫向受力

橋墩橫向計算中不考慮地震作用的影響，主要考慮風荷載作用。橫橋向風荷載分兩部分考慮，一部分為風壓作用在上部結(jié)構(gòu)上，然后經(jīng)支座傳遞至橋墩頂，該部分風荷載按集中力考慮，其大小為風壓在一孔上部結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的水平力;另一部分為風壓直接作用在墩身上，按線形分布荷載考慮。

①橫向風荷載計算

墩 頂 橫 橋 向 風 壓 Wd= 1. 24 kPa，墩 身 風 荷 載3.48 kN/m，上部結(jié)構(gòu)風荷載57.2 kN;墩底橫橋向風壓Wd=0.76 kPa，墩身風荷載2.13 kN·m;縱向風荷載墩底彎矩6 196 kN·m。

②汽車荷載離心力計算

汽車荷載離心力根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》4.3.3條規(guī)定計算。橋墩位于60 m 半徑曲線上，匝道設計速度按40 km/h。

汽車荷載離心力標準值為550 ×2 ×0.21 =231 kN

由離心力產(chǎn)生的墩底截面橫向彎矩為231 ×47.8 =11 042 kN·m。

2.2 承載能力極限狀態(tài)驗算

橋墩承載能力極限狀態(tài)下控制截面為墩底截面，在橋梁使用過程中考慮到縱向風荷載和橫向風荷載不可能同時出現(xiàn)，因此橋墩強度驗算取以下兩種工況進行:(1)永久作用+溫差+收縮徐變+制動力+離心力+縱向風效應;(2)永久作用+溫差+收縮徐變+制動力+離心力+橫向風效應。根據(jù)規(guī)范要求，當離心力與制動力同時參與組合時，制動力設計值按70%取用。結(jié)構(gòu)自重對橋墩承載力有利，其分項系數(shù)取1.0，收縮徐變分項系數(shù)取1.0，汽車制動力、離心力及溫差分項系數(shù)取1.4，風荷載分項系數(shù)取1.1，風荷載組合系數(shù)取0.8。各驗算工況墩底截面設計組合內(nèi)力及截面抗力分別見表1。

表1 各驗算工況墩底截面設計組合

計算表明，橋墩的墩底截面設計內(nèi)力組合作用下，其設計軸力值均小于相應截面抗力值，墩底截面強度滿足承載力受力要求。

2.3 正常使用極限狀態(tài)驗算

在正常使用極限狀態(tài)下，裂縫驗算最小軸力工況下橋墩底面裂縫寬度，橋墩橫向偏心距相對較小，不控制裂縫，僅驗算縱橋向荷載產(chǎn)生的裂縫寬度。按作用短期效應組合并考慮長期效應影響對墩底截面進行裂縫寬度驗算，組合內(nèi)力及裂縫寬度見表2。

表2 組合內(nèi)力及裂縫寬度

計算表明，規(guī)范要求Ⅰ類環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫限值為0. 20 mm，縱橋向荷載產(chǎn)生的最大裂縫寬度為0.179 mm，小于規(guī)范限值，墩身裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

經(jīng)計算，采用空心薄壁墩對于高墩的受力狀態(tài)很好，在承載能力極限狀態(tài)下橋墩承載力滿足規(guī)范要求;在正常使用極限狀態(tài)下橋墩裂縫寬度滿足規(guī)范要求。橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠。

［1］公路橋涵設計通用規(guī)范(JTG D60 －2004)［S］.

［2］公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范(JTG D62 －2004)［S］.