彭亞軍，馬玉全，許佳波

(廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司)

1 工程簡介

以廣東省連州(湘粵界)至懷集高速公路項目某大橋一聯(lián)4×40 m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)剛構(gòu)T梁為例。分析采用如下圖所示的四種不同墩型截面，其橋墩的截面特性表如表1所示。

圖1 不同墩型橫斷面圖

表1 四種墩型的截面特性表

上部結(jié)構(gòu)橋面寬為1 360 cm，采用6片預(yù)制T梁，梁間距為230 cm，中梁預(yù)制寬為175 cm，邊梁預(yù)制寬為187.5 cm。濕接縫寬度為55 cm。

采用MidasCivil2010進行結(jié)構(gòu)整體計算。根據(jù)T梁構(gòu)造尺寸建立上部結(jié)構(gòu)，對應(yīng)四種墩型均采用50 m墩高、30 m樁長，考慮樁基土彈簧的作用，m值取1.5e4 kN/m4。

計算荷載參數(shù):考慮自重、汽車荷載、風(fēng)荷載(分極限風(fēng)荷載及組合風(fēng)荷載)、溫度作用(整體溫差及梯度溫差)、施工架梁荷載。

2 橋墩靜力及整體穩(wěn)定分析對比

2.1 施工階段靜力及整體穩(wěn)定分析對比

施工階段考慮自重、極限風(fēng)荷載及施工荷載組合作用。不同墩型的墩底截面內(nèi)力及應(yīng)力對比如下表2及表3所示。

表2 施工階段不同墩型墩底截面內(nèi)力對比

此四種墩型架梁施工階段第一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)均為縱傾，其穩(wěn)定系數(shù)如下表4所示。

表3 施工階段不同墩型墩底截面應(yīng)力對比

表4 施工階段不同墩型穩(wěn)定分析對比

由上表可以看出，空心薄壁墩的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)最大，雙薄壁空心墩次之，雙柱式墩和工字形墩最小，且相差不大。

2.2 成橋階段整體穩(wěn)定分析對比

體系由簡支轉(zhuǎn)成連續(xù)剛構(gòu)后，各種墩型全橋整體穩(wěn)定系數(shù)如下表5所示。

表5 成橋階段不同墩型穩(wěn)定分析對比

由上表計算結(jié)果可見，成橋階段由于各預(yù)制梁段連接成整體，一階彈性屈曲系數(shù)均有較大提高，約為施工階段的2倍左右。其中空心薄壁墩由于成橋后縱橋向的剛度增大，一階失穩(wěn)模態(tài)已由縱傾轉(zhuǎn)變成側(cè)傾，表明空心薄壁墩成橋后全橋縱向整體剛度大于橫橋向整體剛度。

2.3 運營階段靜力及整體穩(wěn)定分析對比

運營階段考慮一、二期恒載、活載(包括制動力)、組合風(fēng)荷載、梁體溫度作用(整體升降溫及梯度溫差)、橋墩梯度溫度。不同墩型的墩底截面內(nèi)力及應(yīng)力對比如下表6及表7所示。

表6 運營階段不同墩型墩底截面內(nèi)力對比

續(xù)表6

表7 運營階段不同墩型墩底截面應(yīng)力對比

此四種墩型運營階段的穩(wěn)定系數(shù)如下表8所示。

表8 運營階段不同墩型穩(wěn)定分析對比

對比成橋階段與運營階段彈性穩(wěn)定分析結(jié)果可知，運營階段考慮了各種不利荷載工況后，彈性穩(wěn)定系數(shù)并沒有太大的變化。說明運營時的各種工況對彈性穩(wěn)定影響不大，結(jié)構(gòu)主要由主梁的構(gòu)造、上下部之間的連接及下部墩型決定。

3 幾何非線性穩(wěn)定分析

對于第一類線彈性穩(wěn)定分析的理論，在特征值分析中沒有辦法考慮結(jié)構(gòu)的大變形效應(yīng)。對于高墩結(jié)構(gòu)，在豎向重力、側(cè)向風(fēng)載、以及施工荷載的共同作用下，墩頂偏位可能較大，那么P-△效應(yīng)就不可忽視。這樣，用第一類穩(wěn)定的線彈性理論來分析墩的穩(wěn)定性，對結(jié)構(gòu)的安全性能的評估，顯然沒有足夠的說服力。因此，考慮幾何非線性的穩(wěn)定分析是非常有必要的。本節(jié)針對穩(wěn)定系數(shù)最不利的架梁施工階段，考慮幾何非線性的影響進行非線性穩(wěn)定分析，對比線彈性穩(wěn)定分析的結(jié)果評價幾何非線性對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的大小。

圖2為各種墩型考慮幾何非線性以后的荷載—位移曲線，穩(wěn)定荷載系數(shù)取圖中曲線曲率明顯變小的點的縱坐標(biāo)值。

圖2 各種墩型考慮幾何非線性后的荷載—位移曲線

線彈性以及考慮幾何非線性以后的穩(wěn)定系數(shù)對比見下表。

表9 施工階段不同墩型穩(wěn)定分析對比

由上表可以看出，空心薄壁墩的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)最大，雙薄壁空心墩次之，雙柱式墩和工字形墩最小，且相差不大。同時可以看出，在考慮了幾何非線性以后的穩(wěn)定系數(shù)約為彈性穩(wěn)定系數(shù)的70% ～80%，皆有不同程度的降低。

4 薄壁墩的局部穩(wěn)定分析

在midas civil里根據(jù)薄壁空心墩壁厚中心線建立板單元軸線，壁厚采用50 cm。薄壁墩的上下部分別采用剛性連接與蓋梁和樁連接。以下所有的局部屈曲分析均是在以下荷載工況組合下進行:一、二期恒載+最不利靜活載+制動力+溫度作用(整體溫差及梯度溫差)+組合風(fēng)荷載。

為了對比空心薄壁墩壁厚對局部屈曲的影響，選取壁厚為30 cm、40 cm、50 cm，并且在沒有設(shè)置橫隔板的情況下分別計算，分析結(jié)果如下表所示。

表10 空心薄壁墩壁厚對局部屈曲的影響對比

在選定壁厚為50 cm的條件下，考慮不設(shè)置橫隔板、設(shè)置一道橫隔板、設(shè)置兩道橫隔板;隔板的厚度分別為30 cm、50 cm的條件下局部屈曲分析，對比結(jié)果如下表所示。

表11 空心薄壁橫隔板道數(shù)對局部屈曲的影響對比

由不同壁厚的局部屈曲分析對比表中可以看出，壁厚的不同對局部屈曲系數(shù)的影響很大。在壁厚由30 cm加厚到40 cm、40 cm加厚到50 cm的條件下，局部屈曲系數(shù)大約是原來的2倍。

由橫隔板設(shè)置道數(shù)及隔板厚度不同的局部屈曲分析對比表中可以看出，隔板道數(shù)的設(shè)置、隔板厚度的變化基本上不影響局部屈曲系數(shù)。這是因為局部失穩(wěn)發(fā)生位置較低，故設(shè)置少量的橫隔板對橋墩局部穩(wěn)定系數(shù)影響很小。

由此可見，薄壁空心墩在壁厚為50 cm、不設(shè)橫隔板的情況下局部屈曲系數(shù)為259.5，局部屈曲一般不容易出現(xiàn)。由于橫隔板道數(shù)及厚度對局部屈曲系數(shù)影響不大，僅需按施工和構(gòu)造上的要求設(shè)置橫隔板即可，一般每30 m左右設(shè)置一道。

5 結(jié)論

根據(jù)以上四種墩形施工階段及成橋運營階段靜力分析及穩(wěn)定分析結(jié)果綜合比較可以得出如下結(jié)論。

(1)施工架梁階段橋墩受力最為不利，控制橋墩設(shè)計。在混凝土材料用量基本相同的情況下，薄壁墩相比其他三種墩型結(jié)構(gòu)抗彎剛度大，橋梁整體剛度大，第一類穩(wěn)定及第二類穩(wěn)定安全系數(shù)高，是預(yù)裝吊裝高墩結(jié)構(gòu)最合理的墩型。

(2)在考慮了幾何非線性以后的穩(wěn)定系數(shù)約為彈性穩(wěn)定系數(shù)的70% ～80%，各種墩型皆有不同程度的降低。

(3)薄壁墩設(shè)置隔板的道數(shù)、隔板的厚度對局部穩(wěn)定影響很小;壁厚影響相對較為顯著。

(4)薄壁墩墩身的寬厚比超過1/13時，局部穩(wěn)定安全系數(shù)遠高于整體穩(wěn)定安全系數(shù)，局部穩(wěn)定不控制設(shè)計，沒有必要在薄壁腔內(nèi)設(shè)置很多橫板，造成施工不必要的麻煩。

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［1］公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范(JTJD62-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTJD60-2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］陳強.先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系研究［D］.浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.

［4］于學(xué)軍，詹建輝，彭永利.簡支轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)連續(xù)T形梁橋設(shè)計計算［J］.世界橋梁，2003.