陳冠樺，鄧曉紅

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽　550081）

連續(xù)剛構(gòu)橋高墩設(shè)計(jì)及墩梁結(jié)合部應(yīng)力分析

陳冠樺，鄧曉紅

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽550081）

連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩高度和剛度是控制橋梁孔跨布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。以墩高195 m的赫章特大橋?yàn)槔瑢?duì)雙薄壁墩、獨(dú)柱墩2種橋墩形式進(jìn)行對(duì)比分析，得出橋墩采用獨(dú)柱墩形式的結(jié)論。運(yùn)用大型通用有限元程序ANSYS建立其墩梁結(jié)合部局部三維有限元模型，從正應(yīng)力和主應(yīng)力角度分析該部位的應(yīng)力分布特征。分析結(jié)果可為同類高墩橋梁設(shè)計(jì)和施工提供參考。

高墩；連續(xù)剛構(gòu)橋；墩梁固結(jié)處；有限元法；應(yīng)力分析

連續(xù)剛構(gòu)橋作為成功的經(jīng)典橋型，在國內(nèi)外得到了非常廣泛的應(yīng)用。尤其在我國西部地區(qū)，因受經(jīng)濟(jì)條件、線形及地形等因素制約，諸多路線選擇修建高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁。以前諸多專家和學(xué)者已對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的力學(xué)行為進(jìn)行了深入透徹的研究，積累了眾多有益結(jié)論，但對(duì)近年來出現(xiàn)的超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋［1-2］的研究報(bào)道相對(duì)較少，仍有必要進(jìn)行深入探討。因此，本文以目前最高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋赫章特大橋?yàn)楸尘?，?duì)超高墩的設(shè)計(jì)和墩梁結(jié)合部的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行受力行為研究［3-4］，以期為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建設(shè)及養(yǎng)護(hù)提供有益借鑒。

1　工程概況

赫章特大橋位于貴州省銅仁至威寧高速公路畢節(jié)至威寧段，是一座超高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋。主橋上部構(gòu)造為96 m+2×180 m+96 m四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁，邊中跨比為0.533。主橋箱梁采用C55混凝土，其跨中梁高為4.0 m，為主跨的1/45；箱梁根部梁高為11.5 m，為主跨的1/15.65。箱梁高度按1.6次拋物線變化，在懸臂端部、墩頂、跨中設(shè)橫隔板，且采用縱向、橫向、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系，并設(shè)置后期體外備用鋼束。赫章特大橋橋型布置見圖1。其中，主墩11號(hào)墩高達(dá)195 m，為目前同類橋型世界第一高橋墩。

圖1　赫章特大橋橋型布置

2　高墩設(shè)計(jì)

根據(jù)橋墩高度的不同，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋常用的截面形式有雙薄壁墩和獨(dú)墩。

雙薄壁墩是連續(xù)剛構(gòu)橋中最常見的橋墩形式。雙薄壁墩底部與承臺(tái)連接，頂部與箱梁零號(hào)塊固結(jié)。文獻(xiàn)［2］指出，在橋墩截面面積相同時(shí)，雙柱墩的抗推剛度是單柱墩的1/4。所以雙柱式橋墩能有效減少溫度、混凝土收縮徐變和順橋向位移的影響。工程實(shí)踐中，大多數(shù)連續(xù)剛構(gòu)橋選擇雙薄壁空心墩。由于雙壁豎向提供了反力，因此還可有效削減墩頂彎矩的峰值。如龍?zhí)逗犹卮髽蛑鞫崭哌_(dá)179 m，采用了雙薄壁墩橋墩。

獨(dú)墩近年來在剛構(gòu)橋超高墩中也得到了應(yīng)用。獨(dú)墩采用中間挖孔的箱形截面，以減少混凝土用量，增大截面慣性矩，提高橋墩的承載能力。按照截面中箱室的多少分為單箱單室、單箱雙室和單箱多室等類型；按截面外形有無變化又分為等截面和變截面。如湯溪河特大橋主墩為156.84 m，采用獨(dú)柱空心墩。

赫章特大橋設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員對(duì)雙薄壁墩和獨(dú)柱墩進(jìn)行了最大懸臂澆筑線彈性穩(wěn)定與橋墩混凝土用量分析比較。分析表明，在最大懸臂施工階段，整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定受橋墩控制，而橋墩1階彈性穩(wěn)定與失穩(wěn)方向則與橋墩的抗彎剛度和橋墩間是否設(shè)置橫系梁有關(guān)。雙薄壁墩在最大懸臂施工階段其失穩(wěn)方向是面外屈曲，但2階失穩(wěn)模態(tài)是面內(nèi)失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)自重及施工臨時(shí)荷載作用下結(jié)構(gòu)前5階的穩(wěn)定系數(shù)如表1所示，其相應(yīng)的工程數(shù)量如表2所示。從表1數(shù)據(jù)可以看出，雙薄壁墩1階穩(wěn)定系數(shù)均小于4.0，不滿足彈性穩(wěn)定系數(shù)不低于4.0的規(guī)范最低要求。獨(dú)墩構(gòu)造1階彈性屈曲系數(shù)為15.931。由此可知，獨(dú)墩具有較高的穩(wěn)定系數(shù)，能夠滿足穩(wěn)定要求。從工程數(shù)量看，獨(dú)墩混凝土數(shù)量與雙薄壁墩用量相當(dāng)。

表1　橋墩前3階穩(wěn)定系數(shù)

表2　橋墩混凝土用量　m3

由上述分析可知，赫章特大橋主墩11號(hào)墩在最大懸臂施工階段，就其彈性穩(wěn)定和混凝土用量而言，獨(dú)墩構(gòu)造最優(yōu)，因此最終選擇獨(dú)墩形式。11號(hào)墩采用獨(dú)柱墩箱型截面，墩頂縱向?qū)? m，縱向?qū)挾茸兓侣蕿?0∶1，墩身橫向?qū)挾壬舷乱恢拢鶠?7.5 m。箱墩壁厚1.2 m，中間縱肋厚0.8 m，沿豎向每30 m 設(shè)1道橫隔板，橫隔板厚0.8 m。墩頂、墩底分別設(shè)2.0、3.0 m實(shí)心段。橋墩采用C50混凝土，橫、縱斷面布置形式分別見圖2和圖3。

3　墩梁結(jié)合部應(yīng)力分析

鑒于赫章特大橋11號(hào)墩屬于獨(dú)柱箱形截面超高墩，墩梁結(jié)合段結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力較為復(fù)雜，其受載后的應(yīng)力分布用桿系理論難以給出精確的分析結(jié)果，因此有必要采用有限元法對(duì)11號(hào)墩墩梁結(jié)合段進(jìn)行局部應(yīng)力分析，了解墩梁結(jié)合處局部空間應(yīng)力的分布規(guī)律和大小。

圖2　橋墩橫斷面

圖3　橋墩縱橫剖面

3.1結(jié)構(gòu)有限元模型建立［5-6］

依據(jù)圣維南原理，墩梁固結(jié)處的應(yīng)力分布只與其附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，即遠(yuǎn)離墩梁固結(jié)處區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)該處的應(yīng)力分布影響可以忽略不計(jì)［7］。因此，建立有限元模型時(shí)，僅將11號(hào)墩及其左右各20 m箱梁區(qū)域納入分析范圍。

結(jié)構(gòu)離散時(shí)，混凝土部分采用的單元為SOLI45，預(yù)應(yīng)力鋼束采用LINK8單元模擬。建立模型時(shí)，對(duì)規(guī)則幾何形狀區(qū)域采用六面體劃分，對(duì)復(fù)雜幾何形狀區(qū)域采用四面體劃分，在六面體單元和四面體單元交界處生成金字塔單元以保證2種單元協(xié)調(diào)變形［8-9］。模型共劃分為233 592個(gè)單元，116 789個(gè)節(jié)點(diǎn)，X為順橋向坐標(biāo)，Y為豎向坐標(biāo)，Z為橫橋向坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

有限元分析時(shí)，先利用全橋桿系模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，墩梁結(jié)合部應(yīng)力最不利荷載工況為永久作用+公路-I級(jí)+整體升（降）溫+日照溫差。根據(jù)靜力等效原則將荷載施加到有限元實(shí)體模型中［3，10］：軸力以均布荷載方式施加到斷面上，剪力均分到斷面各節(jié)點(diǎn)上，以集中力形式施加；彎矩則等代為平衡力作用于箱梁頂、底板上。

將橋墩底部邊界固結(jié)，將兩端懸臂斷面假定為平截面變形，以剛性域方法形成，并在此斷面處施加整體模型中所提取的荷載。

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

通過有限元仿真分析可以得到墩梁結(jié)合段中任一節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力狀況。本文將從正應(yīng)力與主應(yīng)力角度來分析墩梁結(jié)合部的應(yīng)力狀況。

3.2.1縱向正應(yīng)力

1）整個(gè)零號(hào)塊箱梁梁體縱向均受壓，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力總體水平在10～15.6 MPa之間。箱梁底面和橋墩頂面倒角處出現(xiàn)了表面峰值應(yīng)力，數(shù)值為23.9 MPa，屬于表面應(yīng)力高度集中。因此，墩頂處箱梁縱向正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，符合全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)初衷。墩梁結(jié)合部正應(yīng)力云圖見圖5。

圖4　墩梁結(jié)合部有限元模型

圖5　墩梁結(jié)合部縱向正應(yīng)力

2）橋墩頂面實(shí)心段下緣出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力數(shù)值為0.8 MPa，應(yīng)力云圖見圖6。

圖6　橋墩頂面實(shí)心段下緣正應(yīng)力

3）桿系模型最大壓應(yīng)力為14.8 MPa，空間實(shí)體有限元分析混凝土最大壓應(yīng)力為15.6 MPa。從正應(yīng)力的對(duì)比看，不考慮梁端應(yīng)力集中區(qū)，相比桿系分析結(jié)果，空間實(shí)體分析結(jié)果偏大，偏大值為0.2～0.8 MPa。應(yīng)力對(duì)比結(jié)果表明，桿系模型分析結(jié)果與空間實(shí)體有限元分析結(jié)果吻合較好，同時(shí)也證明了實(shí)體模型的簡(jiǎn)化方法、荷載加載方式的正確性。

3.2.2橫向正應(yīng)力

空間實(shí)體分析結(jié)果表明，橫向應(yīng)力狀態(tài)與橫向分析結(jié)果吻合較好，橫向、豎向拉應(yīng)力都較小，且在縱向預(yù)應(yīng)力作用下箱梁截面受力較為均勻。

3.2.3主應(yīng)力

1）墩頂箱梁混凝土主壓應(yīng)力總體水平在10～18.9 MPa之間。在箱梁底面和橋墩頂面倒角處出現(xiàn)了小范圍表層峰值應(yīng)力，最大主壓應(yīng)力為26.4 MPa，屬于表面應(yīng)力高度集中；最大主拉應(yīng)力值為2.95 MPa，發(fā)生在箱梁橫隔板與頂板交接處。橫隔板與內(nèi)腹板交接處主拉應(yīng)力為2.3 MPa，對(duì)該處采取加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)措施后，裂縫寬度滿足規(guī)范要求。其余各處混凝土主拉應(yīng)力均較小，滿足規(guī)范要求。墩梁結(jié)合部主應(yīng)力云圖見圖7。

圖7　墩梁結(jié)合部主應(yīng)力

2）橋墩頂面與箱梁頂面倒角處最大主拉應(yīng)力值為2.50 MPa，對(duì)該處采取加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)措施后，裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

4　結(jié)論

本文對(duì)赫章特大橋高墩的設(shè)計(jì)和應(yīng)力進(jìn)行了分析比較，得到以下結(jié)論：

1）在進(jìn)行超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)時(shí)，雙薄壁墩和獨(dú)柱墩這2種形式的橋墩都可以采用，但該橋根據(jù)其橋梁剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能、工程量等多方面的要求綜合選取了獨(dú)柱墩形式。

2）在墩梁固結(jié)點(diǎn)內(nèi)，上部箱梁縱向受壓，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)總體受力合理；箱梁底面和橋墩頂面倒角處出現(xiàn)了較大壓應(yīng)力，屬于表面應(yīng)力高度集中，但遠(yuǎn)小于C55混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3）在墩梁固結(jié)點(diǎn)內(nèi)，上部箱梁橫隔板和頂板交接處主拉應(yīng)力較大，箱梁底面和橋墩頂面倒角處也出現(xiàn)了較大的主拉和主壓應(yīng)力。在拉應(yīng)力較大區(qū)域，在滿足施工要求的前提下，建議參考已建成同類橋梁的病害，對(duì)應(yīng)力集中易出現(xiàn)裂縫的薄弱部位配置足夠的抗裂構(gòu)造鋼筋；在壓應(yīng)力較大區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)考慮局部增強(qiáng)構(gòu)造配筋。

4）墩梁結(jié)合部為高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的關(guān)鍵受力部位，施工時(shí)務(wù)必保證箱梁和橋墩尺寸符合要求，同時(shí)建議施工時(shí)盡量將墩梁結(jié)合處結(jié)構(gòu)倒角和轉(zhuǎn)折處做得圓順平滑，避免尖角出現(xiàn)，以使應(yīng)力集中得以緩和。

5）此類橋梁墩梁固結(jié)區(qū)域混凝土容易開裂，可采用鋼纖維混凝土作為加強(qiáng)措施。

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High Pier Design for Continuous Rigid Frame Bridge and Analysis to Stress at Pier Beam Combining Part

CHEN Guanhua，DENG Xiaohong

Height&rigidity of piers in continuous rigid frame bridge is the key factor in control hole span arrangement of bridges and structural design.This paper takes Hezhang special bridge with 195m high piers as example，by comparison analysis to two pier types of double thin wall pier and single column pier，to draw the conclusion of adopting single column pier is better.By using Large-scale general finite element program ANSYS，this paper sets up a finite element model of its pier beam combination part，so to analyze the stress distribution features at this area in view of positive stress and main stress angle.The result of analysis may provide reference for similar high pier bridge design and construction.

High pier；continuous rigid frame bridge；pier beam combination part；finite element method；stress analysis

1009-6477（2016）04-0060-04

U448.23

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.013

貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2010-122-017）

2016-03-31

陳冠樺（1980-），男，湖南省湘鄉(xiāng)市人，碩士，高工。