分幅高墩连续刚构主墩结构行为研究.pdf

June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3 期（总第2 8 2 期）山西交通科技分幅高墩连续刚构主墩结构行为研究韩锋，杨华2（1.山西交科公路勘察设计院有限公司，山西太原030032;2.山西工商学院，山西太原030006)摘要：以一座主跨150 m分幅连续刚构为例，为抵抗高墩、大跨连续刚构桥突出的横桥向风荷载，在墩顶横桥向设置抗风横梁，将分幅刚构迎风面与背风面桥墩连接起来共同受力，改变了传统的仅由迎风面桥墩单独抵抗横向风的状态，结果表明墩底内力大大减小，同时墩身稳定性也得到一定提高。对于既定上部结构，通过改变墩身形式，探讨了其对上下部结构、施工工序、工程造价等影响，在单、双肢墩都适应的前提下，应结合受力、稳定、施工等因素综合考虑采用双肢薄壁墩或单肢薄壁墩。关键词：分幅连续刚构桥；抗风横梁；稳定分析；双肢墩；单肢墩中图分类号：U448.23文献标识码：A文章编号：10 0 6-3 52 8(2 0 2 3)0 3-0 0 6 9-0 4Study on Structural Behavior of Multi-girder High-pier ContinuousRigid Frame Main PierHAN Feng,YANG Hua?(1.Shanxi Jiaoke Highway Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030032,China;2.Shanxi Technology And Business College,Taiyuan,Shanxi 030006,China)Abstract:Taking a multi-girder continuous rigid frame with a 150-meter main span as the example,toresist the transverse wind load of the high-pier large-span continuous rigid frame bridge,this paper set awind-resisting beam across the bridge at the pier top to connect the windward and leeward of the bridge piertogether,which changed the traditional state that only the windward pier resisting the transverse wind.Theresults showed that the internal force at the pier bottom was greatly reduced,and the stability of the pierbody was improved to a certain extent.For the fixed superstructure,the influences on the superstructure,substructure,construction process,and project cost were discussed by changing the pier form.On thepremise that both the single-and double-limb piers are suitable,the double-limb thin-wall pier orsingle-limb thin-wall pier should be adopted considering the factors such as stress,stability,and construction.Key words:multi-girder continuous rigid frame bridge;wind-resisting beam;stability analysis;double-limb pier;single-limb pier0引言连续刚构桥梁利用桥墩的柔性适应梁体纵向变形，在高墩、大跨桥型中应用较广，是理想的桥型之二。随着墩高及跨径的不断增大，其抗风稳定问题越显突出。尤其在最大悬臂状态下，墩身不仅承受其自身风压，上部主梁巨大的迎风面内风荷载也以均布力形式施加于墩顶，墩身以悬臂梁形式受力，墩底弯矩较大。为了抵抗风荷载，常规做法是将加大墩身横向尺寸或者采用顶底放坡的变截面桥墩形式，无形中造成浪费或加大施工难度。本文以一座3 150 m预应力混凝土分幅连续刚构桥为工程依托，对比分析了墩顶抗风横梁设置前后结构的抗风性能及采用单、双肢薄壁收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 4；修回日期：2 0 2 3-0 1-0 8作者简介：韩锋（19 8 4 一），男，山东济宁人，高级工程师，工学硕士，2 0 11年毕业于重庆交通大学桥梁工程专业；杨华（19 8 5一）,女，山东枣庄人，讲师，艺术学硕士，2 0 13 年毕业于长春工业大学设计艺术学专业。702023年第3 期山西交通科技桥墩对桥梁整体结构的影响1工程概况选定工程为一座预应力混凝土连续刚构桥，主桥桥跨布置为（8 0+3 150+8 0）m。上部主梁采用变高度单箱单室箱形截面，顶部宽12 0 0 cm，底部宽6 50 cm，根部梁高9 3 0 cm，跨中梁高3 3 0 cm，梁高按1.7 次抛物线渐变；采用移动挂篮悬浇法施工，主梁0 号块长1400cm，每个现浇T构纵向对称划分为19 个梁段-2,其总体布置见图1所示。610008000+315000+8000=61000预应力混凝王刚构8000150001500015000800000900L80t80001008100t子00t图1刚构桥总体布置（单位：cm）大桥采用上部结构分幅并建，下部结构为整体式承台；主墩采用等截面双薄壁空心墩，墩身横桥向宽850cm，顺桥向宽3 50 cm，横向壁厚8 0 cm，纵向壁厚60cm，双肢纵桥向净距50 0 cm，最高墩达118 m，左右幅桥通过墩顶抗风横梁连接，见图2 所示。1270320抗风横梁400图2抗风横梁构造（单位：cm）2抗风横梁对结构抗风性能影响为对比抗风横梁设置前后桥墩受力状况，选取最高主墩2 2 号桥墩（如图1所示），建立最大悬臂状态有限元模型（如图3 所示），其中主墩和主梁均采用梁单元模拟，墩梁固结段设置刚性连接，墩底采用固结。在计算动力风荷载作用下桥墩考虑了P-效应影响 3-4 。图3有限元模型2.1荷载施加最大悬臂状态下考虑的荷载主要有恒载、挂篮及横向风荷载。恒载按照单元材料容重施加，0 号块横隔板和齿板重量以节点荷载形式施加；挂篮荷载按照每套10 0 0 kN计。作用在桥梁上的风荷载在时间和空间上是不断变化的复杂动荷载。在满足工程精度要求下，对风荷载做适当简化，抽象出其作用模型是允许和必要的。因此，为了考虑风的动力效应，在建立大桥有限元模型的基础上，将风荷载简化为较为相近的动力冲击荷载，分析其抗风性能。选择图4 所示的荷载模型作为桥梁动风载模型，并将其反复作用于桥梁结构上。FFM0TT2T时间/s图4动力风载时程图其中，FM=2F为动力风载最大值；Fa为按照抗风设计规范计算的静阵风值，施工阶段风载重现期系数取0.8 4；T,为动力风载达到最大值FM的时间，取10 s；T,为动力风载达到最小值的时间，取2 0 s;T,为动力风荷载作用一个周期的时间，取2 5s。2.2抗风性能计算结果最大悬臂状态在恒载及动力风载作用下，桥墩内力计算结果见表1所示表1迎风面桥墩内力计算对比墩顶轴力/墩底轴力/墩顶横向墩底横向结构内力kNkN弯矩/kNm弯矩/kNm恒载35213.380557.60.00.0动力不设横梁0.00.018352.1226236.6风荷载设置横梁-5645.9-5 645.9-26710.677750.5恒载+动不设横梁35 213.380 557.618352.1226236.6力风荷载设置横梁29567.474911.7-26 710.677750.5注：轴力以压为正，弯矩以迎风面受拉为正。71韩锋，分幅高墩连续刚构主墩结构行为研究2023年第3 期从表1可以看出，未设置抗风横梁时，在风荷载作用下，桥墩以悬臂状态参与结构受力，墩底横向弯矩为226236.6kNm；设置抗风横梁后，迎风面与背风面桥墩整体受力，在风荷载作用下迎风面桥墩墩底弯矩降为7 7 7 50.5kNm，降幅达6 5.6%。同时在墩顶横桥向产生2 6 7 10.6 kNm的反向弯矩，迎风面桥墩墩底产生5654.9kN的反向轴力，与恒载轴力叠加后仍为压力。桥墩变形及应力响应对比见表2 所示。表2迎风面桥墩的变形及应力响应对比墩顶侧悬臂端侧墩顶墩底结构响应向位移/向位移/迎风面背风面迎风面背风面mmmm应力/MPa应力/MPa应力/MPa应力/MPa不设横梁3053142.82.0-2.213.7设置横梁75833.01.56.38.1从表2 可以看出，设置抗风横梁后，迎风面与背风面桥墩整体受力共同抵抗风荷载，迎风面桥墩墩顶侧向位移由3 0 5mm减小为7 5mm，降幅达7 5.4%，悬臂端位移减小幅度基本相当；未设置抗风横梁时，墩底截面出现2.2 MPa的拉应力，且最大压应力达13.7 MPa；设置抗风横梁后，墩底截面应力分布相对均匀，最大压应力为8.1MPa，最小压应力6.3 MPa，这缘于墩底弯矩大幅降低。墩顶截面在设置抗风横梁后出现了一定的应力波动，波动范围为0.2 MPa0.5MPa，未改变全截面受压的状态。2.3结构稳定性分析为了对比设置抗风横梁前后桥墩的稳定性，将结构自重作为可变荷载对最大悬臂T构进行第一类稳定计算。一阶失稳模态见图5所示，一阶失稳模态均为墩柱顺桥向侧移失稳，但增加抗风横梁后，稳定安全系数由14.15提高到17.0 7，增幅达2 1%。抗风横梁对提高最大悬臂T构的稳定性起到一定作用。MIDAS/CIVILPOST-PROCESSORBUCKLINGMODE临界荷载系数=1.4 15E+001a.无抗风横梁（临界荷载系数14.15）MIDAS/CIVILPOST-PROCESSORBUCKLINGMODE临界荷载系数=1.7 0 7 E+001b.有抗风横梁（临界荷载系数17.0 7）图5一阶失稳模态3主墩形式变化对结构影响对于高墩大跨连续刚构桥型，常见的桥墩形式为单肢空心薄壁墩、双肢空心薄壁墩及两者的组合形式（以下简称单肢墩、双肢墩）。双肢墩结构整体抗弯刚度大、纵向抗推刚度小，能有效减小上部结构内力、温度、混凝土收缩徐变及地震力影响，且对墩顶负弯矩削峰作用明显，可减小主梁墩顶截面尺寸，因此连续刚构桥多采用双肢墩 5-8 。单肢墩作为设计方案中的一种，对于高墩大跨连续刚构桥也是一种理想墩型，同样应予以重视。以图1中主桥为基准，分析桥梁由双肢墩调整为单肢墩对结构的影响，见图6 所示，a.双肢墩b.单肢墩图6结构有限元模型3.1单柱桥墩截面拟定该桥采用对称悬臂法施工，主墩在最大悬臂状态下受力最为不利，根据最大悬臂状态下不平衡弯矩及稳定性要求确定单肢墩的截面尺寸，主墩的截面尺寸拟定为横桥向8 50 cm，壁厚8 0 cm，纵桥向8 0 0 cm，壁厚80cm。该截面尺寸条件下，最高墩（2 2 号墩）稳定系数为13.5，满足稳定安全要求。同时也满足挂篮脱落、浇筑不同步、横向风等工况下的承载力要求。3.2墩型对上部结构的影响通过结构计算分析，采用单肢墩上部主梁失去了双肢墩墩顶主梁弯矩消峰作用，同时受墩柱抗推刚度影响，主梁收缩徐变、温度效应增大，原主梁截面不满足受力要求，需增大主梁截面尺寸和预应力钢束用量。经计算，主梁截面高度需由根部9 3 0 cm加高到10 50 cm，跨中由3 3 0 cm加高到3 50 cm方可满足结构受力需要3.3施工工艺调整将双肢墩改为单肢墩后，其抗推刚度约为原来的4倍（矩形截面）。在收缩徐变及整体升降温作用下，边墩将产生很大的弯矩。为满足墩柱受力要求，需要采取顶推措施改善边墩的受力，施加顶推力后，墩底弯矩减小为原来的7 0%，满足要求。原合拢顺序为边跨次边跨一中跨，为配合次边跨合拢顶推，合拢顺序需调整为边跨一中跨次边跨。次边跨合拢前需施加约200t顶推力。3.4对桩基承台的影响单肢墩抗推刚度大，在收缩徐变及整体升降温作用下，桥墩及基础的纵向弯矩也相应增大；同时由于主梁加高、单肢墩截面尺寸大，导致结构整体的迎风面积增大，结构所受风荷载也显著增大。墩底纵、横向弯矩同时增大，双肢墩每个承台下布设2 2 根桩基，单肢墩桩基需增加到2 8 根，两种方案桩基布置见图7 所示。722023年第3 期山西交通科技24003000387.5.387.5,450387.5.387.55500200200一00s10OSLI008$2915085040085020Q8504008502002400503000250横桥向横桥向a.双肢墩b.单肢墩图7主墩下部构造平面图（单位：cm)双肢墩方案桩基对承台的弯矩作用效应很小，承台厚度取4 0 0 cm即可满足抗弯要求；单肢墩方案边桩远离墩柱，产生了较大的弯矩，承台需加厚到6 0 0 cm才能满足抗弯要求3.5工程量对比经计算，通过增加预应力、加大梁高并施加合拢顶推力后，主梁及桥墩各项验算指标基本满足规范要求。对比两种方案的主要工程数量，与双肢墩方案相比，单肢墩方案主墩的工程量有所减小，但上部主梁、桩基以及承台的工程量增加。综合比较，采用单肢墩方案后，混凝土增加14 8 6 2 m，普通钢筋增加17 4 t,预应力钢绞线增加4 2 6 t，增加工程造价约2 3 0 0 万元表3主要工程量对比构件主梁主墩承台桩基合计C55混凝土/预应力C40混凝土/C40混凝土/C30混凝土普通钢筋/预应力材料钢筋/kg钢筋/kg钢筋/kg钢筋/kg温混凝土/m钢束/kgmkg钢束/kg双肢墩方案20.353.63670971138948624 1257 689 8676720562 8661187397060063 071.6128943041389486单肢墩方案232323882169181562219.7416292.30517691148183117270141178277933130680871815622增量2.878211198 426136-4384-1397562109719189655397441182148621737834261364结论连续刚构桥作为高墩、大跨理想桥型之一，因其结构整体性好、适应线路及大跨度与特殊要求等特点，获得了较大的发展。本文针对分幅刚构主墩间设置抗风横梁及主墩形式变化为出发点，研究其对结构的影响，得出如下结论：a)对于分幅式连续刚构桥，通过设置墩顶横桥向抗风横梁，将迎风面与背风面桥墩连接形成整体共同受力，可较大幅度减小墩底截面弯矩，桥墩截面应力更加均匀，墩顶侧向位移大大减小，同时墩顶产生一定的弯矩，但该弯矩数值较小，未改变墩顶全截面受压的状态。此外，抗风横梁对于提高最大悬臂状态T构的稳定性有一定作用。b)桥梁作为整体结构，上下部应统筹考虑。单纯考虑桥墩形式的改变，将导致上部结构、施工工艺、承台桩基及工程造价的调整，设计时应结合结构受力、稳定、施工、工程造价等因素综合考虑采用双肢薄壁墩或单肢薄壁墩。参考文献：1李艳忠。主跨150 m连续刚构桥结构分析 .山西交通科技，2017(3):78-81.2 韩锋.连续刚构桥结构设计及稳定性分析J.山西交通科技，2020(6):63-67.3 田巨峰.五里坡大桥超高墩在风荷载下的安全性分析J.公路,2 0 10(10):5-8.4王淳，徐晓波，田常兵.高墩大跨连续刚构桥抗风及P-效应分析 J.中外公路，2 0 0 9,16(2 9：12 0-12 2.5 王凯华，刘志才.大跨高墩连续刚构桥墩型选择及稳定性分析 J.低温建筑技术，2 0 19(3）：13 4-13 7.6张大琦，高雅。单肢空心薄壁高墩大跨连续刚构桥稳定性分析 J.公路，2 0 2 1（8）：13 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