多跨矮塔斜拉橋超高墩合理形式比選

苗建寶,劉亞文,張小亮 ,雷 浪

(1.西安公路研究院有限公司,西安 710065;2.湖南大學,長沙 410082)

近年來,我國交通建設重心由東部向西部轉移,山區橋梁建設需求隨之增大。受地形、地貌、地質條件等因素限制,高等級公路穿越山區時越來越多地采用超高墩、超大跨、超長聯形式的橋梁,很多大跨橋梁墩高度超過了100 m(通常認為墩高超過100 m為超高墩),其中貴州的赫章特大橋,墩高達195 m,為國內之最[1]。超高墩作為多跨矮塔斜拉橋的關鍵構件,其形式在很大程度上影響結構的剛度、穩定性和動力特性,在相同工況下結構的內力分布、構件變形差別巨大,其動力特征和響應不同。

為控制正常使用階段大跨超高墩橋梁受多種荷載作用產生的變形和次內力,提高施工階段和成橋運營階段結構的整體穩定性,避免因地震造成過大的經濟財產損失,急需對其合理構造及其結構受力分析開展研究。

目前超高墩常用結構形式為薄壁空心墩,有關此類墩型的研究成果頗豐。同時有一種近年新發展起來的鋼管混凝土橋墩,針對此類墩型的研究尚處于起步階段。Dong等[2]對連續剛構橋的兩種形式的鋼筋混凝土橋墩進行了內力分析和非線性穩定比選;Li等[3]研究了新型柱-板結構橋墩的抗震性能;馮亞成等[4]、劉亞文[5]、陳仕剛等[6]也對高墩結構形式進行了比選研究。部分學者開展了結構穩定性和抗震性能研究。Zhao等[7]對高墩抗震性能研究表明高墩的底部和頂部區域在沿縱向的輕度和中度損傷階段更為脆弱,只有底部區域容易沿橫向發生損傷;Zhou等[8]對新型柱板式高墩的比例模型進行了低周反復荷載試驗;劉建佳[9]、劉亞文[10]針對幾座超高墩橋梁研究了計算長度和橫系梁布置對施工階段和成橋階段穩定性的影響;劉子心等[11]、何浩祥等[12]針對超高墩形式對結構抗震性能的影響進行了系統研究。目前針對超高墩性能的研究比較完善,但對各種墩型的綜合對比研究則主要集中在連續剛構橋,針對矮塔斜拉橋的相關研究較少。

文中以一座超高墩矮塔斜拉橋為例,深入對比各種橋墩結構的布置形式和受力特點,并利用Midas/Civil有限元軟件研究雙薄壁墩、單薄壁墩、組合式墩、疊合式墩的力學特性、穩定性和抗震性能,并結合工程實際進行對比,討論各方案的適用性。

1 依托工程概況

文中以王家河特大橋為例展開研究(見圖1)。主橋上部結構采用(125.1+4×230+125.1) m預應力混凝土矮塔斜拉橋,塔、墩、梁固結,單聯長度1 170 m。主梁采用預應力混凝土大懸臂變高度單箱三室斜腹板截面,箱梁頂板寬29.5 m,橋面以上塔高36 m?？v橋向塔柱橋面以上12 m范圍內為漸變段,寬度由6 m 直線變化至9 m,斜率為1∶8,上塔柱為等截面,寬度為6 m。每個索塔設有 2×15對共30根斜拉索,全橋共150根斜拉索。主橋 10～14號主墩采用雙薄壁空心橋墩,整體呈八邊形形狀,雙肢間距為2m,最高墩144 m,如圖2所示。設計荷載為公路-Ⅰ級。地震動峰值加速度: 0.2 g。橋梁抗震設防類別: A類,橋梁抗震設防等級:Ⅵ度。

圖1 平面及立面布置(單位:m)

圖2 橋墩平面及立面布置(單位:m)

綜上所述,王家河特大橋為典型的高墩大跨及長聯結構,雙薄壁橋墩未設置橫系梁以及橫隔板,其存在明顯的柔度效應。橋墩結構選型會影響結構整體性能。為獲得橋墩的最佳布置方案,需要展開深入研究。

2 超高墩形式及特點分析

傳統的矮塔斜拉橋橋墩主要形式包括單薄壁墩、雙薄壁墩、組合式墩、四肢薄壁墩,這些薄壁空心混凝土墩施工方便,造價低廉,在實際工程中應用最廣,是當前主流的超高墩形式。近年來發展起來一類抗震性能良好的新型空心鋼管混凝土超高墩型式,包括鋼管混凝土格構式墩、鋼管混凝土疊合式墩及空心鋼管混凝土墩等,但是該類橋墩的造價要高于傳統混凝土橋墩。

2.1 雙薄壁空心墩

雙薄壁空心墩廣泛應用于大跨徑橋梁中,其構造特點是墩位處有兩個互相平行的空心單肢,兩肢間可設置橫向聯系以提高整體剛度和穩定性[13]。單肢截面多為矩形或箱形,墩頂、底一般設置實心段及過渡段。

雙薄壁墩主要具有以下特點:1)雙肢間可以通過調整距離改變截面的抗彎剛度,以抵抗懸臂施工期間的不平衡彎矩;2)分離雙肢可以削減單墩頂部的主梁負彎矩峰值,便于優化主梁受力同時降低梁高;3)優化橋墩的截面、雙肢距離、橫系梁位置及數量,可有效降低結構次內力。

2.2 單薄壁空心墩

單薄壁空心墩為整體式墩身,常用截面形式有矩形、箱型等,橋墩頂部和底部需設置過渡至實心段[14]。另外,為確保局部受力與失穩,混凝土壁厚通常不小于50 cm。

雙薄壁空心墩與單薄壁空心墩相比特點如下:1)截面為整體閉口截面,墩身抗扭剛度提升明顯,適應上部結構施工穩定性要求;2)單薄壁空心墩的整體橫縱向抗推剛度大,適應上部結構縱橫向變形效應較差,可引起較大的結構次內力;3)施工周期短,施工質量易保證。

2.3 單、雙薄壁組合式空心墩

單、雙薄壁組合式空心墩是充分利用了兩種橋墩各自優勢而形成組合新結構形式,總體受力性能良好。組合式空心墩特點如下:1)優化橋墩斷面形式、尺寸、雙肢間距等設計可以形成受力合理的組合橋墩;2)橋墩施工穩定性及抗扭剛度等性能均介于同等條件下的單、雙薄壁空心墩之間;3)組合式橋墩在單、雙薄壁轉換位置的截面形式突變可能導致局部受力不均;4)組合式橋墩為兩種形式的組合,結構的構造變化,對于施工工藝和質量的控制都有較高的要求。

2.4 鋼管混凝土格構式墩

鋼管混凝土格構式墩是由單根或多根鋼管混凝土柱肢通過綴桿連接起來而形成的組合構件。柱肢多采用圓形鋼管混凝土截面,通常沿墩高逐漸改變各柱肢間的距離,形成變截面格構式墩。

與其他傳統混凝土墩相比,格構式墩特征如下:1)該組合構件充分發揮了兩種材料自身優勢,相比混凝土墩,相同承載力下截面尺寸、墩身自重明顯降低;2)結構受力性能良好,可根據結構要求調整結構的穩定性、剛度;3)可以設置多種形式的連接構造,改善結構受力狀態;4)鋼管混凝土結構的抗震性能良好,有效提升橋梁的抗震性能;5)可實現裝配化施工,質量易于控制,施工周期短。

2.5 鋼管混凝土疊合式墩

疊合式墩以鋼管混凝土格構式為框架,同時在柱肢間與外層現澆鋼筋混凝土結構形成組合式新結構[15]。該結構提升了鋼管混凝土格構式墩的耐久性和抗火能力。

疊合式墩優勢如下:1)外包鋼筋混凝土結構可以提升結構剛度、承載能力及穩定性,但是降低了其變形能力;2)結構的抗震性能較傳統結構提升顯著,較格構式墩也有改善;3)格構式墩實施完成后可作為框架,降低后續外包施工費用,同時免除后期鋼結構的維護費用。

2.6 其他新型超高墩

目前國內外通過對傳統結構形式的優化,提出了空心鋼管混凝土墩柱、雙波折鋼腹板連接的鋼管混凝土墩柱、空心鋼管墩柱等形式。

對以上形式墩柱進行了結構受力性能和抗震性能分析表明:空心鋼管混凝土墩及空心鋼管墩柱兩種結構的抗震性能較傳統混凝土橋墩更優,雙波折鋼腹板型抗震性能更優。但是目前沒有以上新型超高墩的實例。

3 超高墩方案擬定

3.1 方案擬定

通過上一節對超高墩結構的分析,本節依托工程對矮塔斜拉橋的超高墩方案進行對比分析,選擇了單薄壁空心墩、雙薄壁空心墩、組合式空心墩、鋼管混凝土疊合式墩四種結構形式開展其綜合性能的研究。由于墩身抗推及抗彎剛度會顯著影響上下部受力和變形,故將此作為對比指標。同時控制各墩型方案外圍尺寸與原設計相同,控制墩頂、墩底截面換算面積一致。為簡化計算,墩柱結構均偏安全地設置為等截面,四種方案截面尺寸如圖3所示 。

圖3 四種方案截面尺寸(單位:cm)

3.2 有限元模型

采用通用的空間有限元分析軟件,建立依托工程主橋有限元模型,如圖4所示。主墩、主梁及主塔均采用考慮剪切變形的梁單元模擬;采用桁架單元模擬斜拉索,由Ernst公式計算得到的等效彈性模量與材料彈模相差僅0.2%,故拉索垂度引起的非線性效應可忽略。該橋采用墩塔梁固結體系,采用共節點即可模擬。施工階段根據實際施工工序進行,即主墩施工→主塔施工→梁體懸臂澆筑→合龍按照邊跨至中跨順序依次進行。荷載工況和荷載組合均按現行規范選取。

圖4 王家河特大橋有限元模型

3.3 主墩有限元建模分析

按3.2節擬定的主墩四種結構形式調整了有限元模型如圖5所示。組合式墩柱以及空心墩的單、雙肢的交界處均采用彈性連接中的剛性連接模擬;采用共節點的梁單元模擬疊合式墩,以鋼管、鋼管內混凝土、外包的混凝土及腹板分別模擬。

圖5 主墩有限元模擬

4 結構分析結果

4.1 梁墩內力和位移

4.1.1 主梁彎矩

有限元分析得到的四種主墩形式的墩頂及跨中截面的主梁彎矩如圖6所示。

圖6 墩頂主梁彎矩對比

由圖可知,各個工況下雙薄壁墩和組合式墩的負彎矩削峰作用十分明顯,矮塔斜拉橋墩頂主梁彎矩低于其他方案約35%,其中雙薄壁墩對溫度荷載的適應性最強。

4.1.2 墩底彎矩

四種主墩形式主墩底截面的縱向彎矩如圖7所示。由圖可知,雙薄壁墩底彎矩最小,如支座沉降工況下雙薄壁墩底彎矩僅為其他形式墩的30%左右?？梢?雙薄壁墩的溫度和變形荷載適應能力最好,組合式墩次之,疊合式墩和單薄壁墩則相對較差。

圖7 墩底縱向彎矩對比

4.1.3 梁墩位移

四種主墩形式墩頂縱向位移如圖8所示。由圖可知,在四種工況下其他三種墩型墩頂位移大致相等,而雙薄壁墩墩頂縱向位移最大,尤其在成橋恒載工況下,雙薄壁墩10#和14#墩的位移差達到了25.9 cm,比其他三種墩型高出約40%,雙薄壁墩的柔度效應十分明顯。

圖8 墩頂位移對比

4.2 整體穩定性

以矮塔斜拉橋的最大懸臂狀態下11#墩和成橋階段全橋為考察對象進行穩定分析,兩種工況考慮荷載(所有荷載均為可變類型)列于表 1,分析得到的全局穩定安全系數如表2、表 3所示。

表1 穩定工況考慮的荷載

表2 最大雙懸臂狀態11#墩穩定安全系數

表3 成橋運營狀態全橋穩定安全系數

由表可知,最大雙懸臂狀態下單薄壁墩、疊合式墩和組合式墩的穩定性基本接近,雙薄壁墩前三階均為縱向失穩。成橋狀態下,整體穩定性良好,疊合式主墩的穩定安全系數最優?？傮w來看,四種主墩形式均可以滿足施工期間及運營階段的整體穩定性要求。

4.3 動力及抗震性能

根據規范,該橋的抗震設防烈度?、?反應譜特征周期與動峰值加速度分別為0.45 s和0.2 g,場地類型Ⅱ類。對四種主墩形式采用反應譜法測試,縱向、橫向及豎向E1地震響應如表4所示,后采用二次項組合法分析得出地震荷載作用下主墩及主梁的內力和位移響應,如表5和表6所示。

表4 頻率分析結果 Hz

表5 內力響應

表6 位移響應 mm

由模態分析結果可以看出:各方案前五階振型基本相同;雙薄壁墩一階縱彎頻率偏低,其他三種方案比較接近;組合式墩各階頻率介于單薄壁墩和雙薄壁墩之間。

由內力和位移響應可知:雙薄壁墩在縱向地震下彎矩、軸力最小,但位移較大;單薄壁墩和疊合式墩則與之情況相反;組合式墩的內力和位移響應比較均衡。橫、豎向地震下四種方案的位移響應差別較小,雙薄壁墩的內力響應最小。綜上,組合式墩和疊合式墩抗震性能較好。

綜上所述,四種主墩的結構形式各有優缺點。組合式墩、雙薄壁墩可以降低結構次內力及地震作用的內力響應;單薄壁墩和疊合式墩可以減小服役期及地震作用下位移;組合式墩綜合性能良好,結構適應性強;疊合式墩的抗震性能相比其他形式優越,但是墩柱的經濟性差。對于長聯矮塔斜拉橋位于變形零點的主墩,橋墩選擇以保證剛度為主;對于其他橋墩,特別是邊主墩,則需要在較大的抗彎剛度和較小的抗推剛度之間尋求平衡?？紤]矮塔斜拉橋抗震要求其具有較大的柔度,同時常規的斜拉橋是長周期結構,故很少受到震害。但矮塔斜拉橋主梁剛度大,跨度較常規斜拉橋小,其架構體系偏向于短周期結構,振動特性和地震響應特性就顯得非常重要。綜合對比同類主墩與主梁固結的墩柱形式,推薦采用雙薄壁式墩及組合式墩;高度大于150 m及非主墩與主梁固結的墩柱宜采用單薄壁式墩。

5 結 論

文中按照墩身幾何特征與原雙薄壁墩相同的原則,擬定了單薄壁墩、組合式墩、疊合式墩結構形式。通過對比四種主墩形式的內力、施工和運營期穩定性以及抗震等,得到結論如下:

1)雙薄壁墩和組合式墩對負彎矩有削峰作用,對常見引起結構次內力的荷載適應能力較好;而單薄壁墩和疊合式墩剛度大,在荷載作用下變形較小。

2)四種方案均滿足施工階段和成橋運營階段下的穩定性要求,雙薄壁墩前三階均為縱向失穩且穩定安全系數變化較小;在E1地震荷載作用下,雙薄壁墩內力響應最小,但位移響應較大,單薄壁墩和疊合式墩與之相反。

3)考慮到矮塔斜拉橋結構特點,建議同類矮塔斜拉橋主墩與主梁固結的墩柱形式采用雙薄壁式墩及組合式墩;高度大于150 m及非主墩與主梁固結的墩柱宜采用單薄壁式墩。