高墩彎橋墩梁固結(jié)設(shè)計(jì)研究

高墩彎橋墩梁固結(jié)設(shè)計(jì)研究摘要：高墩彎橋是城市立交橋中出現(xiàn)頻率較高的橋型，也是已建成立交中出現(xiàn)問(wèn)題較多的橋型。本文通過(guò)對(duì)高墩彎橋設(shè)置墩梁固結(jié)和設(shè)置支座做詳細(xì)計(jì)算分析，并從安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工方便性等方面做比較，提出適合采用墩梁固結(jié)的彎橋類型、跨徑范圍，為類似橋梁設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：立交橋；高墩；彎橋；墩梁固結(jié)；線剛度引言伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，大型城市立交的建設(shè)越來(lái)越多，而高墩彎橋是大型城市立交中不可或缺的橋梁類型，近年來(lái)，立交中高墩彎橋使用事故發(fā)生較多如哈爾濱陽(yáng)明灘匝道橋坍塌、天津塘沽立交坍塌、重慶盛唐立交坍塌等。圖1天津塘沽立交傾覆圖2哈爾濱陽(yáng)明灘匝道橋坍塌使用過(guò)程中未造成坍塌事故，但出現(xiàn)嚴(yán)重病害的數(shù)量更為眾多，以深圳為例深圳市春風(fēng)路高架橋（1994年建成）發(fā)生支座脫空、深圳市濱河路車(chē)公廟立交（1998年建成）施加預(yù)應(yīng)力后發(fā)生支架坍塌、深圳市濱海大道南油立交（1999年建成）發(fā)生梁體偏轉(zhuǎn)、深圳市華強(qiáng)北立交（1998年建成）發(fā)生嚴(yán)重梁體側(cè)向位移等。上述事故發(fā)生的主因并非施工質(zhì)量問(wèn)題，而是因?yàn)閺潣蚩箖A覆安全系數(shù)不夠和曲線預(yù)應(yīng)力施加后梁體扭轉(zhuǎn)。其中彎橋抗傾覆安全系數(shù)不夠，主要因?yàn)橄淞赫?lián)都采用了設(shè)置支座的方式，而單支座的采用或者雙支座間距不夠更加劇了傾覆風(fēng)險(xiǎn)。墩梁固結(jié)的特點(diǎn)由于城市立交地面層的交通組織和景觀通透性尤為重要，限制了彎橋橋墩的數(shù)量和形式，對(duì)于高墩匝道彎橋即使采用雙支座，支座間距也不可能無(wú)限拉大。墩梁固結(jié)將高墩的受力形式從基礎(chǔ)端固結(jié)+墩頂端自由或鉸接轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)端固結(jié)+墩頂端彈性固結(jié)，消除彎橋的傾覆風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了上構(gòu)箱梁的整體穩(wěn)定性，但墩梁固結(jié)后，加大了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，也會(huì)影響上、下部結(jié)構(gòu)的配筋。工程實(shí)例橋梁概況南寧市沙井-南站立交為三層半全互通立交，橋梁面積超3萬(wàn)平方米，本文選用具有代表性的E匝道橋第四聯(lián)作為研究對(duì)象，在同等設(shè)計(jì)荷載下，分別對(duì)其在墩梁固結(jié)和設(shè)支座連續(xù)梁兩種結(jié)構(gòu)體系下的受力情況和主要材料用量進(jìn)行對(duì)比。該聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用4X16m鋼筋砼連續(xù)箱梁，橋梁平面位于半徑60m的圓曲線上,橋?qū)?0m，采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，箱梁高1.3m，下構(gòu)橋墩高度分別為18.8m、18.1m和17.6m，采用變截面矩形墩，墩身厚度1m。兩種體系的橋梁結(jié)構(gòu)橫斷面如圖5?圖6所示。圖5墩梁固結(jié)體系橫斷面圖圖6連續(xù)梁體系橫斷面圖建立計(jì)算模型由于該聯(lián)的橋梁平面曲線半徑僅60m，為保證計(jì)算結(jié)果的精度，采用橋梁博士分析軟件建立空間計(jì)算模型，主梁、橋墩均以梁?jiǎn)卧M，墩梁固結(jié)體系在墩柱底位置模擬邊界條件為固結(jié)，連續(xù)梁體系在支座位置模擬邊界條件為簡(jiǎn)支。模型如圖7?圖8所示：圖7墩梁固結(jié)體系模型圖圖8連續(xù)梁體系模型圖兩種體系受力情況比較兩種體系承載能力極限狀態(tài)下縱梁的彎矩如圖9?圖10所示，其中四等跨連續(xù)梁彎橋的彎矩分布存在以下三個(gè)問(wèn)題：1)2號(hào)墩頂(8566KN?m)、4號(hào)墩頂(8158KN?m)的支點(diǎn)負(fù)彎矩較大，且超過(guò)3號(hào)墩頂(5581KN?m)較多，縱向分布不平衡；2)同一個(gè)支點(diǎn)的負(fù)彎矩中腹板(8566KN?m)明顯大于外腹板(4801KN?m)和內(nèi)腹板(4624KN?m),橫向分布不均勻；3)墩頂負(fù)彎矩明顯大于跨中正彎矩，正負(fù)彎矩的豎向分布不協(xié)調(diào)。產(chǎn)生彎矩分布不均衡的原因主要有以下兩點(diǎn)：1)邊跨和中跨跨徑相等，一般邊中跨的比值在0.55?0.65之間時(shí)，彎矩的縱向分布才會(huì)基本均衡；2)主梁的橫向剛度太弱，箱型截面的橫向主要依靠頂板和底板來(lái)傳遞受力，而頂板和底板受自重限制，厚度均較小，為方便施工梁體內(nèi)的橫隔板數(shù)量一般少設(shè)或不設(shè)，所以橫向剛度有限。

9卜腫振單元-J801TjW7Tf7BL■nisz.一：-「I,|■IIHi」弋.蟲(chóng)」|L1一丄l'JI」」L]Jrrt'L-9卜腫振單元-J801TjW7Tf7BL■nisz.一：-「I,|■IIHi」弋.蟲(chóng)」|L1一丄l'JI」」L]Jrrt'L-.：；62675LJ7也腕5027圖10連續(xù)梁體系彎矩包絡(luò)圖3TQfi31E6312332L4由于邊跨和中跨跨徑相等，四等跨連續(xù)梁橋的2、4號(hào)墩頂?shù)闹c(diǎn)負(fù)彎矩較大，但城市立交的匝道彎橋跨徑一般都會(huì)小于20m，從景觀和功能上考慮都不宜為平衡支點(diǎn)負(fù)彎矩而過(guò)度的減小邊跨跨徑，因此需要另辟捷徑。兩種體系承載能力極限狀態(tài)下的彎矩差值對(duì)比情況詳見(jiàn)圖11所示，墩梁固結(jié)后3號(hào)墩頂?shù)呢?fù)彎矩雖然呈上升趨勢(shì)，但其峰值(7026KN?m)仍小于連續(xù)梁峰值(8566KN?m),且2、4號(hào)墩頂?shù)闹c(diǎn)負(fù)彎矩得到了有效的改善(平均降幅達(dá)25%)，達(dá)到了整體平衡和削峰的目的，因此通過(guò)墩梁固結(jié)改善中支點(diǎn)負(fù)彎矩不失為一個(gè)好的措施。當(dāng)然，連續(xù)梁體系的中支點(diǎn)下緣正彎矩很小，在墩梁固結(jié)后其中支點(diǎn)下緣處的正彎矩明顯增大，對(duì)箱梁底截面的設(shè)計(jì)有一定的程度的負(fù)面影響，這也是墩梁固結(jié)與連續(xù)梁設(shè)計(jì)之間的差別之一，但是相對(duì)跨中正彎矩而言其值尚在可接受范圍。

圖11兩種體系彎矩差值對(duì)比圖11兩種體系彎矩差值對(duì)比經(jīng)對(duì)比E匝道橋第四聯(lián)兩種體系下的主要內(nèi)力和材料用量，墩梁固結(jié)后，由于上構(gòu)箱梁的彎矩分布更為合理，控制截面的彎矩峰值更小，因此箱梁鋼筋量得以降低；另外由于墩柱的計(jì)算長(zhǎng)度減小（由2L減小為0.7L），墩身截面得以減小，砼材料和配筋量減幅約為20%，達(dá)到節(jié)約材料的目的。墩梁固結(jié)體系計(jì)算優(yōu)化雖然該聯(lián)墩梁固結(jié)后達(dá)到了整體削峰和平衡彎矩的初步目的，但也反應(yīng)出一個(gè)問(wèn)題，那就是固結(jié)前后的彎矩變化幅度過(guò)大，主要原因就是橋墩的剛度過(guò)大，箱梁與橋墩的剛度比尚不夠合理。造成橋墩剛度過(guò)大的一個(gè)原因是模型在墩身底部按照固結(jié)考慮，實(shí)際工程中由于橋墩縱向僅為單排樁基礎(chǔ)，達(dá)不到墩身底部固結(jié)的強(qiáng)度。下面引入樁基的假想固結(jié)點(diǎn)作為邊界條件進(jìn)行模型的優(yōu)化計(jì)算，并對(duì)改善效果進(jìn)行分析，提出墩梁固結(jié)體系下橋墩邊界條件模擬的合理化建議。根據(jù)巖土的物理力學(xué)指標(biāo)，計(jì)算出樁的假想固結(jié)點(diǎn)在距離樁頂4.8m處。在墩柱底位置增加承臺(tái)和樁基礎(chǔ)的模擬，并將邊界條件修改為在樁的假想固結(jié)點(diǎn)位置固結(jié)，計(jì)算模型如圖12所示：圖12引入假想固結(jié)點(diǎn)后的墩梁固結(jié)模型該聯(lián)在墩梁固結(jié)體系下，邊界條件采用在樁的假想固結(jié)點(diǎn)處固結(jié)和原先的墩柱底部固結(jié)，彎矩差值的變化情況如下：1)2、4號(hào)墩頂?shù)呢?fù)彎矩增加、3號(hào)墩頂?shù)呢?fù)彎矩下降，跨中正彎矩均呈下降趨勢(shì)，其峰值仍由3號(hào)墩頂負(fù)彎矩(6610KN?m)控制，相對(duì)原模型(7026KN?m)下降5.92%，模型的整體彎矩更加平衡、峰值也更??；2)支點(diǎn)下緣正彎矩減小，其峰值由2709KN?m降低為1927KN?m,降幅為28.9%。這是由于由于引入樁的假想固結(jié)點(diǎn)后，橋墩的計(jì)算長(zhǎng)度增加，橋墩的剛度減小的緣故?？梢?jiàn)在實(shí)際建模計(jì)算時(shí)，考慮樁在土體中的水平向變形作用，樁基按照土彈簧的形式建?；蛘咄ㄟ^(guò)樁的變形系數(shù)a計(jì)算出樁的假想固結(jié)點(diǎn)后建模，計(jì)算結(jié)果比在墩柱底固結(jié)更為精確和合理。墩梁固結(jié)體系線剛度比值探討對(duì)于合適做墩梁固結(jié)的橋梁，作者認(rèn)為在上部結(jié)構(gòu)梁體與下部結(jié)構(gòu)墩身之間應(yīng)該存在一個(gè)相對(duì)合理的線剛度比值區(qū)間。通過(guò)對(duì)比三種不同跨徑、梁高的4X16m、4X25m和4X30m箱梁橋在不同橋墩高度和剛度下的模型進(jìn)行受力分析，編者認(rèn)為當(dāng)橋墩線剛度過(guò)大時(shí)，墩梁固結(jié)后墩柱頂、底截面會(huì)出現(xiàn)較大的彎矩，對(duì)墩柱配筋不利；橋墩線剛度小對(duì)墩梁固結(jié)受力有利，但是會(huì)出現(xiàn)墩頂位移過(guò)大的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)同樣不利。因此需要做墩梁固結(jié)體系的橋梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩既不能太剛也不能太柔，而是要綜合考慮上下部結(jié)構(gòu)的受力情況、墩頂位移和材料指標(biāo)等因素來(lái)合理確定，作者通過(guò)對(duì)上述模型的對(duì)比分析認(rèn)為上構(gòu)箱梁與下構(gòu)橋墩的線剛度比值控制在12?15之間是比較合適的(其中高墩宜取低值，矮墩宜取高值)。結(jié)論（1）城市立交的匝道橋多為彎斜橋，由于采用墩梁固結(jié)形式，永久解決了傾覆問(wèn)題，當(dāng)上構(gòu)箱梁（跨徑L）與下構(gòu)橋墩的線剛度比值在12?15之間時(shí)（其中高墩宜取低值，矮墩宜取高值），適合做成墩梁固結(jié)體系，即可改善橋梁的受力情況，也可以增強(qiáng)橋梁的安全性。（2）墩梁固結(jié)將高墩的受力形式從基礎(chǔ)端固結(jié)+墩頂端自由或鉸接轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)端固結(jié)+墩頂端彈性固結(jié)，減小了橋墩的計(jì)算長(zhǎng)度，從而提高了橋墩的受壓穩(wěn)定性，因此可以減小墩身的構(gòu)造尺寸和配筋量，墩身的砼材料和配筋量減幅約為15%?30%，在確保結(jié)構(gòu)安全度的同時(shí)達(dá)到節(jié)省材料的目的。（3）墩梁固結(jié)可以減小墩頂?shù)目v向位移，改善行車(chē)舒適性。雖然墩頂設(shè)置支座時(shí)墩身僅承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的軸力和剪力，墩梁固結(jié)后承受上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的彎矩、軸力和剪力，但是由于墩身兩端邊界條件由一端固結(jié)+一端自由轉(zhuǎn)變成為一端固結(jié)+一端彈性固結(jié)，墩身構(gòu)件的變形呈現(xiàn)兩種不同模式，后者的墩頂水平位移顯著小于前者，對(duì)于聯(lián)長(zhǎng)較大的橋梁，墩頂縱向位移減小后可以減小聯(lián)端伸縮縫的寬度，從而改善行車(chē)舒適性。（4）墩梁固結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)各墩位間的不均勻沉降量應(yīng)注意考慮非固結(jié)墩臺(tái)后期更換支座施工期間頂升箱梁的影響。（5）墩梁固結(jié)后墩梁固結(jié)處的應(yīng)力變得復(fù)雜，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。（6）對(duì)于有條件的大跨度橋型，應(yīng)該要保持邊跨和中跨的比例，盡量不要等跨布置。（7）當(dāng)無(wú)條件做不等跨橋型時(shí)，固結(jié)體系橋梁可以通過(guò)適當(dāng)加大靠邊跨橋墩的線剛度，調(diào)整邊跨橋墩與中跨橋墩的線剛度比來(lái)平衡受力，線剛度比例宜控制在1.1?1.3之間，