沿海山区高墩连续刚构桥梁边墩支座受力研究

唐 翔

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

伴随国家经济快速发展,沿海山区的桥梁建设也得以迅猛推进,连续刚构桥因其跨越能力强、桥面宽度利用率高,已成为山区公路建设的常见桥型,众多研究者对该类桥梁各部件的受力进行了大量研究。郭梅[1]指出稳定性分析最不利阶段在于最大悬臂施工阶段,并推导了桥墩稳定性计算公式,为设计人员提供了难得的计算经验。钦会宾[2]阐述了连续刚构桥无边跨现浇段施工方案,并对不同边中比一次落架成桥时的边墩支座反力进行了分析。梁勇旗[3]提出了多个合龙方案,推算了合龙顶推力,对不同合龙方式下边墩支座反力进行了对比。

对于连续刚构桥来说,主梁一般采用悬浇法,大部分都是采用对称的方式进行施工。沿海山区连续刚构桥过渡墩墩身较高的情况比较常见,为增大边墩支座压力储备通常会设置较长的边跨现浇段,若采用落地满堂支架施工,具有造价高、施工风险大的明显缺点,而利用墩身搭设托架施工时,则由于墩身单侧受载大导致过渡墩墩底弯矩过大而出现安全隐患。有学者提出,设计时边跨较中跨多悬浇一个施工节段可增大边跨支座正反力,然而,边墩支座反力主要来自边跨现浇段施工后各个荷载累加效应,多悬浇一个节段对增大边墩支座正反力的增量可忽略不计。综上所述,从经济性和施工便捷性考虑,设计边跨过渡墩较高的山区连续刚构桥时,边跨与中跨比取值一般为0.53左右。如沿海大风山区的连续刚构桥边中比过小,则可能导致边跨过渡墩支座出现负反力。目前,对如何减少沿海大风山区连续刚构桥边墩支座反力的研究相对较少。为此,本文以某沿海山区高速公路某连续刚构桥为背景,从设计角度研究高墩连续刚构桥边墩支座反力,对大风速下高墩连续刚构桥边墩支座反力提出了改进设计方案。

1 工程概况

该桥位于山区,离最近海岸线约55 km,十年一遇风速值为28.2 m/s。桥梁随路线跨越V形沟谷,桥跨布置为2×(3×30)m先简支后连续预制T梁+(80+150+80)m连续刚构桥+2×30 m先简支后连续预制T梁,单幅桥宽12.75 m。主桥边中比为0.533,主梁划分为17个悬浇节段,边跨现浇段长3.88 m。主墩为双肢薄壁墩,其中7号墩高80.81 m,8号墩高77.65 m,过渡墩为矩形墙式墩,其中6号墩高49.67 m,9号墩高50.29 m。在有限元模型中,主梁、桥墩、盖梁等均使用空间梁单元进行模拟,全桥共380个单元,359个节点,其中主梁单元162个,主梁节点163个。墩身底部采用固结约束,施工阶段按结构特点及悬臂施工流程进行划分,共63个施工阶段。主桥桥型布置、过渡墩支座布置、建模图如图1～3所示。

图1 主桥桥型布置示意图(cm)

图2 边墩支座横向布置示意图(cm)

图3 有限元模型图

2 高墩连续刚构桥边墩支座反力影响因素分析

在沿海山区高墩连续刚构桥设计过程中,规范对于荷载规定很多,研究能够引起边墩负反力的荷载对后续设计进行优化至关重要,建模细节也值得深入探讨。本文从过渡墩支座反力成因、过渡墩支座约束布置、过渡墩墩身刚度等三个方面开展高墩连续刚构桥边墩支座受力研究。

2.1 边墩支座负反力成因

参照现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[4],与该桥过渡墩支座反力的相关荷载主要包括:一期恒载(结构重力、预加力、混凝土收缩徐变)、二期恒载(铺装及护栏)、梯度升温、梯度降温、汽车荷载、汽车制动力、基础变位、整体升温、整体降温、横向10年一遇风荷载、纵向10年一遇风荷载。其中汽车荷载采用三车道计算,基础变位考虑每个墩沉降2 cm并进行自由组合,取最不利值,其余荷载均根据规范规定进行选取。规范中关于支座选型时采用标准组合,各项荷载系数取值均为1。为更好地掌握后续设计优化时应重点关注哪些荷载,分别对各个荷载因素引起的支座反力进行分析。根据前述模型,边墩支座暂先按双向支座进行考虑,恒载按照实际选取,活载仅统计各个荷载使边墩支座出现受拉时最大负反力。该桥结构形式基本对称,因此选取6号边墩支座1的反力作为分析对象,其结果如表1和图4所示。

表1 各荷载对6号墩中支座1的反力贡献一览表

马高速公路

图4 荷载对6号墩支座1的反力贡献示意图

从表1及图4可以看出,一期恒载、二期恒载、整体降温及梯度升温等荷载对6号边墩支座1产生了有利的受压正反力。汽车荷载、汽车制动力、基础变位、横向风荷载、纵向风荷载、整体升温、梯度降温等荷载造成了不利的受拉负反力,其中横向风荷载形成的负反力最大,达到了-3 805 kN,占产生负反力荷载总和的77%。综上分析,设计时应重点关注横向风荷载在边墩支座负反力的贡献。

2.2 边墩支座约束布置

对于本次研究的连续刚构桥来说,边墩横向采用两个支座,边墩支座横向布置如图2所示。采用不同支座,意味着不同的约束,结构体系也有所区别,主梁受到较大的横向荷载时,边墩支反力响应也不一样。根据前述分析,横向风荷载对边墩支座反力的影响最大,因此本小节仅分析横向风荷载作用下,边墩支座不同约束的响应,6号墩支座约束各方案如表2所示。

在同样的横向风荷载作用下,采用如表2所示三种不同边墩支座约束方案时,6号墩支座支反力值如表3所示。

表3 三个方案下6号墩支座反力值表

从表3分析结果来看,横向风荷载下采用方案一时支座1负反力最大,其值为-3 805 kN;方案三时负反力最小,其值为-595 kN,两者差值百分比为177%。然而实际上在支座布置时尚需考虑横向温度变形,不将横向全部约束,一般选择方案二,支座1最大负反力为-1 816 kN,该值相对方案一和方案三处于适中水平,是比较合理的。同时,由于支座本身水平抗力较小,边墩盖梁需设置抗水平推力较强的挡块。

2.3 建模时过渡墩墩身对支座反力的影响

在进行过渡墩墩高较矮的连续刚构桥计算时,过渡墩的纵横向抗弯及抗推刚度较大,考虑墩身与否对边墩支座反力影响不大。为了节省建模时间,一般仅将连续刚构桥的主梁、主墩建出来,而忽略过渡墩墩身刚度的存在。对于高墩连续刚构桥分析,能否直接省去,则需要进行进一步分析。本次对比计算时仅考虑10年一遇的横向风荷载,对比结果如表4所示。

表4 过渡墩墩身对支座反力的影响对比结果表

由表4可知,从变形角度来说,过渡墩本身具有一定的刚度,可以使过渡墩与主梁间的力通过墩身变形产生一定的释放效果。从分析的结果看,考虑过渡墩墩身刚度时的边墩支座负反力为-3 805 kN,不考虑过渡墩墩身刚度时为-7 181 kN,差值为3 376 kN,极大地影响了分析精度。所以,模拟分析高墩连续刚构桥受力情况时,不能忽略墩身刚度。如遇V型山谷高主墩、矮边跨过渡墩的连续刚构桥,在确保安全的情况下设计者应尽可能地减少过渡墩墩身抗推及抗弯刚度,防止在横向风荷载作用下过渡墩支座的负反力过大。

3 改善边跨过渡墩支座受力的措施

该桥主桥按照常规设计思路:过渡墩墩顶上设置盖梁,盖梁与分别与主桥、引桥主梁间采用支座连接。施工工序为:主桥主梁按照常规悬浇法施工,浇筑过渡墩之后施工盖梁、架设引桥主梁,再在过渡墩身搭设托架,在托架上施工主桥现浇段,然后进行边跨合龙、中跨合龙、二期铺装[5]。根据前文分析结论,该桥边墩支座最终采用一个单向支座、一个双向支座的布置方式。按照本工序模拟计算时发现6号支座1在标准组合下最小反力为-459 kN,支座出现脱空,一般的受压支座不能满足要求,如选择拉压支座时,其耐久性较差且造价贵。因此,设计者应采取措施将该负反力消除,确保结构安全、耐久。总体而言,可采取的措施有:(1)方案一,边中比由0.533调整为0.56,边跨现浇段长度增加4 m;(2)方案二,在不增加边跨现浇段长度的情况下,边跨实心段采用钢砂混凝土压重;(3)方案三,采用边跨合龙前,在中跨17号梁段配重,中跨合龙后释放配重;(4)方案四,在不改变边中比的情况下,边跨现浇段横梁做宽并设置牛腿,引桥主梁放置在牛腿上,使引桥主梁的重量传递至边跨现浇段。经对比计算,6号墩四个方案的最小反力如表5所示。

表5 四个方案边墩支反力值计算结果表

由表5可知,从结构受力来说四种方案均能改善边墩支座受力,方案一改善效果最好,增幅达到了3 172 kN,但是方案一的现浇段长度达7.88 m,满堂支架施工时施工措施费高,施工风险大,墩身托架施工时过渡墩墩底弯矩大,显然不合理。对于方案二来说,该桥边跨现浇段仅3.88 m,除去桥结构本身的构造外,施加钢砂混凝土的空间有限,而钢砂混凝土的容重为40 kN/m3,因此该方案增加的边墩支座压力的幅度亦有限,经推算仅增加6号墩支座412 kN压力储备,支座1依然出现-47 kN的负反力,不满足规范要求。采用方案三时,在边跨合龙前跨中配重时,需要考虑不平衡的配重在主墩墩底产生的弯矩,根据以往工程经验,最大悬臂时连续刚构桥T构最外端悬臂不平衡荷载不宜超过最后一个节段重量,因此配重选择为17号梁段的重量2 636 kN,并在中跨合龙后释放,最终增加边墩支座正反力164 kN,实际效果最差。方案四考虑边跨引桥活载后,支座1的反力增幅为2 457 kN,最小正反力为1 998 kN,满足规范要求。方案四实施时,高过渡墩身可按照正常爬模施工即可,短现浇段仅仅按照常规工序搭一个小托架即可完成施工,墩底也不存在过大的偏心受载弯矩,又能大幅提高山区高墩连续刚构桥的过渡墩支座正反力储备。综合上述分析,该桥最终推荐采用方案四进行设计。

4 结语

(1)在沿海山区连续高墩连续刚构桥边墩支座反力成因中,横向风荷载对边跨过渡墩支座的负反力贡献最大,设计时应特别注意风荷载的存在。

(2)在大风速高墩连续刚构桥中,支座约束的选择对边墩支座负反力的影响不容忽视。对该桥来说,最大差值百分比达到177%,直接左右边墩支座大小的选择合理性。

(3)对于高过渡墩连续刚构桥的建模计算,就该桥而言,考虑墩身刚度与否其差值百分比达到88.7%。为此,计算边墩支座反力时应考虑其过渡墩抗弯及抗推刚度的存在。

(4)经过论证,提出了一种改善沿海山区高墩连续刚构桥边墩支座反力的设计方案,对设计后续同类型桥梁有一定的借鉴意义。