劉夢(mèng)麟,毛立敏,梁 才
(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)
隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展,大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)體系梁橋以其結(jié)構(gòu)剛度大、行車平穩(wěn)舒適、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等眾多優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用,成為最常見的一種橋型。
按結(jié)構(gòu)體系劃分,多孔大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)體系梁橋主要采用連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)和剛構(gòu)-連續(xù)組合體系,三種結(jié)構(gòu)體系各有優(yōu)劣。連續(xù)梁在懸臂施工過程中需設(shè)置墩梁臨時(shí)固結(jié)措施,成橋后需在主墩設(shè)置大噸位的支座;連續(xù)剛構(gòu)可避免采用臨時(shí)固結(jié)措施及大型支座但受混凝土收縮徐變和環(huán)境溫度變化影響較大,一般適用于主墩較高的情況;剛構(gòu)-連續(xù)組合體系的受力性能及經(jīng)濟(jì)性介于連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)之間。
本文以廣西某高速公路跨江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)影響連續(xù)剛構(gòu)體系結(jié)構(gòu)受力的控制變量進(jìn)行了參數(shù)化分析,以得到本橋結(jié)構(gòu)受力相對(duì)較優(yōu)的連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)方案。具體情況介紹如下:
某大橋主橋跨徑布置為80m+2×125m+75m,兩個(gè)邊跨不對(duì)稱布置(見圖1)。主梁采用單箱雙室箱梁,箱梁頂板寬度為22.5m;墩頂根部梁高7.5m,中跨跨中及梁端梁高2.8m。箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系,采用掛籃懸臂澆筑施工。
主橋橋墩基礎(chǔ)為承臺(tái)接鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。考慮到施工期間水位較高,水深接近20m,若將承臺(tái)埋置于河床以下,施工難度較大,施工措施費(fèi)用較高。為節(jié)省施工成本,本橋采用高樁承臺(tái)的形式,利用鋼套箱圍堰施工主墩承臺(tái)。主墩墩高約17m,為主跨跨度的1/7.35,屬于矮墩的范疇。
圖1 主橋橋型布置圖(m)
鑒于連續(xù)剛構(gòu)可避免采用大噸位支座等諸多優(yōu)點(diǎn),大跨度梁橋設(shè)計(jì)往往優(yōu)先考慮采用該結(jié)構(gòu)體系。由于本橋主墩高度較矮,混凝土收縮徐變和環(huán)境整體溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力(尤其是橋墩、樁基等下部結(jié)構(gòu)受力)的不利影響尤為顯著。所以,本文對(duì)影響橋梁結(jié)構(gòu)受力的各種控制變量進(jìn)行了參數(shù)化分析,以求得到相對(duì)較優(yōu)的連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
影響連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力的控制參數(shù)主要有以下幾種:承臺(tái)頂標(biāo)高(即橋墩高度和樁長(zhǎng))、樁基偏心、承臺(tái)形式、主梁合龍順序、主梁預(yù)頂力等。本文利用Midas Civil空間有限元軟件,建立了全橋整體計(jì)算有限元模型。根據(jù)橋墩形式的不同(雙肢薄壁墩、空心薄壁墩),分為兩種計(jì)算模型,如圖2~3所示。
圖2 全橋整體計(jì)算FE模型一(空心薄壁墩)示意圖
圖3 全橋整體計(jì)算FE模型二(雙肢薄壁墩)示意圖
針對(duì)不同的分析控制參數(shù),采用不同的計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬。參數(shù)化分析總體控制表見表1~2。
表1 參數(shù)化分析總體控制表(FE模型一)
表2 參數(shù)化分析總體控制表(FE模型二)
圖4~5為根據(jù)不同的承臺(tái)頂標(biāo)高計(jì)算得到的橋墩彎矩及樁頂軸力結(jié)果圖形。
圖4 不同承臺(tái)頂標(biāo)高對(duì)應(yīng)的橋墩彎矩關(guān)系示意圖
圖5 不同承臺(tái)頂標(biāo)高對(duì)應(yīng)的樁基頂部軸力關(guān)系示意圖
由表3可知,對(duì)于高樁承臺(tái)的下構(gòu)形式,由于樁基順橋向整體抗彎剛度遠(yuǎn)大于橋墩,當(dāng)承臺(tái)頂標(biāo)高提高,樁長(zhǎng)加長(zhǎng),下部結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度實(shí)質(zhì)減小,整體結(jié)構(gòu)“變?nèi)帷?。因此出現(xiàn)圖4、圖5所揭示的現(xiàn)象:隨著承臺(tái)頂標(biāo)高的提高(即橋墩長(zhǎng)度減小、自由樁長(zhǎng)加長(zhǎng)),連續(xù)剛構(gòu)各主墩墩頂墩底最大彎矩、樁基頂部最大軸力均呈下降的趨勢(shì);橋墩受力逐漸趨于小偏心受壓,對(duì)壓彎強(qiáng)度及裂縫寬度控制驗(yàn)算有利;而樁基由于軸壓力減小,結(jié)構(gòu)受力逐漸趨于大偏心受壓,對(duì)樁基壓彎強(qiáng)度及裂縫寬度控制驗(yàn)算反而不利。
表3 橋墩及樁基順橋向抗彎剛度計(jì)算結(jié)果表
9#和11#橋墩由于墩底存在較大的順橋向彎矩,導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)樁基受力存在較大的不均勻性:內(nèi)側(cè)(靠近中跨側(cè))樁基頂部軸力比外側(cè)大得多。
這種不均勻性,可以通過適當(dāng)設(shè)置樁基偏心進(jìn)行調(diào)整。如圖6所示,本文計(jì)算分析了9#和11#橋墩“樁基外偏1.5m”“樁基不偏心”和“樁基內(nèi)偏1.5m”等情況。
圖6 9#和11#橋墩樁基偏心示意圖
根據(jù)分析結(jié)果,當(dāng)9#和11#橋墩樁基往內(nèi)側(cè)偏心時(shí),9#和11#橋墩內(nèi)側(cè)樁基樁頂軸力逐漸減小,外側(cè)樁基樁頂軸力逐漸增大;反之亦然。適當(dāng)?shù)臉痘鶅?nèi)偏心可以減小內(nèi)外側(cè)樁基軸力差,可通過反復(fù)迭代計(jì)算得到樁基最優(yōu)偏心值,使得樁基受力均勻(見圖7)。
當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)橋主墩考慮采用雙肢薄壁墩時(shí),本文對(duì)承臺(tái)形式的選擇進(jìn)行了受力分析研究??傮w而言,承臺(tái)有整體式和分離式兩種形式,如圖8所示。
如采用分離式承臺(tái),相當(dāng)于增加了橋梁下部結(jié)構(gòu)的整體自由長(zhǎng)度,提高了結(jié)構(gòu)柔度。從圖9可以看出,9?!?1#橋墩墩頂、墩底的彎矩包絡(luò)值均比采用整體式承臺(tái)時(shí)小。墩底彎矩最多下降93.9%;墩頂彎矩最多下降47%。
需要指出的是,雖然采用分離式承臺(tái)可以減小橋墩彎矩,但是需同時(shí)關(guān)注下構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及防止船舶撞擊的能力。
圖7 外側(cè)橋墩(9#、11#)樁基偏心對(duì)樁頂軸力的影響示意圖
圖8 承臺(tái)形式及其對(duì)應(yīng)的下構(gòu)彎矩包絡(luò)圖
圖9 承臺(tái)形式對(duì)橋墩彎矩的影響示意圖
本橋兩個(gè)邊跨不對(duì)稱,考慮到盡可能減小邊跨現(xiàn)澆支架長(zhǎng)度以節(jié)省項(xiàng)目投資,第8跨比中跨多兩個(gè)懸澆節(jié)段,第11跨比中跨多一個(gè)懸澆節(jié)段。對(duì)比分析兩種合龍施工工序:
(1)先中跨合龍:
T構(gòu)對(duì)稱懸澆至第15個(gè)節(jié)段→中跨合龍→中跨壓重,不對(duì)稱懸澆邊跨(第8、11跨)節(jié)段→邊跨合龍。
(2)先邊跨合龍:
T構(gòu)對(duì)稱懸澆至第15個(gè)節(jié)段→中跨壓重,不對(duì)稱懸澆邊跨(第8、11跨)節(jié)段→邊跨合龍→中跨合龍。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,主梁合龍順序?qū)蚨諒澗氐挠绊懖淮蟆1緲蛉绮捎孟冗吙绾淆?,橋墩墩頂彎矩包絡(luò)值會(huì)比采用先中跨合龍略微減小,最大減小約6.8%。
圖10 主梁合攏順序?qū)蚨諒澗氐挠绊懯疽鈭D
需注意的是,本橋如考慮盡量減小邊跨現(xiàn)澆支架長(zhǎng)度并采用先邊跨合龍的方案,則需要中跨壓重、不對(duì)稱懸澆邊跨節(jié)段,施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高同時(shí)加大了施工監(jiān)控的難度。
連續(xù)剛構(gòu)橋是多次超靜定體系,在成橋狀態(tài)下由于混凝土收縮徐變、溫度作用等影響,主梁縱向長(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生變化,主墩發(fā)生偏移,在主墩內(nèi)產(chǎn)生較大的次內(nèi)力。運(yùn)營(yíng)階段,橋梁下構(gòu)基本組合彎矩包絡(luò)圖見圖11。
圖11 運(yùn)營(yíng)階段,橋梁下構(gòu)彎矩包絡(luò)圖(邊墩)
為了消除這種不利影響,可在邊跨合龍形成單懸臂體系后,在中跨合龍段兩側(cè)對(duì)主梁梁體進(jìn)行預(yù)頂推,給主墩施加反向作用。中跨合龍前的主梁預(yù)頂力產(chǎn)生的全橋位移及橋梁下構(gòu)彎矩見圖12~13。
圖12 主梁預(yù)頂力產(chǎn)生的全橋位移圖
圖13 主梁預(yù)頂力產(chǎn)生的橋梁下構(gòu)彎矩圖(邊墩)
本文計(jì)算分析了不同主梁預(yù)頂力(0t、250t、500t)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響(見圖14)。根據(jù)分析結(jié)果,在中跨合龍前,給主梁施加適當(dāng)?shù)念A(yù)頂力可以減小邊墩及其樁基的最大彎矩設(shè)計(jì)值。對(duì)于采用分離式承臺(tái)的下構(gòu)而言,墩頂及樁底的最大彎矩設(shè)計(jì)值下降最為顯著:施加250t的預(yù)頂力,9#墩墩頂和樁底最大彎矩設(shè)計(jì)值分別下降24.9%和23.9%。主梁預(yù)頂力對(duì)中墩(10#橋墩)受力影響較小。
圖14 主梁預(yù)頂力對(duì)橋梁下構(gòu)設(shè)計(jì)彎矩值的影響示意圖
同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)主梁預(yù)頂力過大時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。如9#橋墩,未施加主梁預(yù)頂力時(shí),墩頂截面控制設(shè)計(jì)彎矩為負(fù)彎矩;施加過大的預(yù)頂力后,控制設(shè)計(jì)彎矩變?yōu)檩^大的正彎矩。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)中需充分計(jì)算分析,以得到最優(yōu)的主梁預(yù)頂力。
通過以上分析,可得出下述結(jié)論:
(1)由于混凝土收縮徐變和環(huán)境溫度作用等影響,矮墩連續(xù)剛構(gòu)體系的橋墩及樁基受力一般較大,是連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素??赏ㄟ^優(yōu)化承臺(tái)頂標(biāo)高、設(shè)置樁基偏心、優(yōu)化承臺(tái)形式、主梁合龍順序及施加主梁預(yù)頂力等方式,優(yōu)化連續(xù)剛構(gòu)的下構(gòu)受力以滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。
(2)對(duì)于高樁承臺(tái)的下構(gòu)形式,需綜合考慮橋墩及樁基自由段對(duì)下構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)。本橋承臺(tái)頂標(biāo)高由72m提高到77m,下構(gòu)整體“變?nèi)帷?,可有效減小橋墩彎矩。
(3)由于邊墩墩底存在較大的順橋向彎矩,內(nèi)外側(cè)樁基受力不均勻,可通過適當(dāng)設(shè)置樁基偏心予以調(diào)節(jié)。
(4)與整體式承臺(tái)相比,采用分離式承臺(tái)的下構(gòu)形式可以極大地減小橋墩彎矩,但需同時(shí)關(guān)注下構(gòu)的整體穩(wěn)定性以及防止船舶撞擊的能力。
(5)主梁合龍順序?qū)ο聵?gòu)受力影響不大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需充分考慮不同主梁合龍順序的施工難易程度和施工風(fēng)險(xiǎn)。
(6)施加適當(dāng)?shù)闹髁侯A(yù)頂力可以有效降低橋墩及樁基設(shè)計(jì)彎矩,然而過大的主梁預(yù)頂力可能會(huì)適得其反。
綜合考慮各種控制變量和實(shí)際工程情況,本橋連續(xù)剛構(gòu)體系結(jié)構(gòu)受力相對(duì)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案如下:(1)承臺(tái)頂標(biāo)高為7 7.0m;(2)邊墩樁基適當(dāng)設(shè)置內(nèi)偏心;(3)采用分離式承臺(tái),并設(shè)置相應(yīng)的橋墩防撞措施;(4)采用先邊跨合龍的施工方案且適當(dāng)進(jìn)行主梁預(yù)頂推。