李建強

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司上海200092）

0 引言

常見工程中，常將剛構(gòu)橋橋墩做成柔性高墩，減小順橋向的抗推剛度，以改善混凝土結(jié)構(gòu)收縮、徐變、溫度力、預應力次內(nèi)力等作用下的受力性能［1-3］。但是，實際上往往因為外界條件的影響，做成矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋［4-7］，比如近海環(huán)境下景觀需求、相交道路凈空要求以及線位走向等。矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋由于橋墩較矮，抗推剛度大，柔性小，墩底和墩頂將會承受較大的內(nèi)力。這種結(jié)構(gòu)在溫度力、預應力次內(nèi)力等作用下的內(nèi)力，是影響該類橋梁設(shè)計的重要節(jié)點。因此，本文通過對珠海市橫琴區(qū)某跨海矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計進行分析，提出該類橋梁設(shè)計注意事項，為今后類似橋梁設(shè)計提供一些參考和借鑒。

1 工程概況

某工程位于珠海市橫琴島西南側(cè)的峽灣內(nèi)，處于風景旅游區(qū)，景觀要求較高，且處于外海環(huán)境。其海上段橋梁全長2.2 km，是世界上最長、橋面標高最低的跨海大橋之一。

考慮周圍地塊景觀等需求，橋面標高定為5.5 m，平均墩高約為5.0 m。采用低橋位設(shè)計方案。鑒于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，波浪力影響，采用矮墩連續(xù)剛構(gòu)方案，其橋型布置如圖1 所示。單幅橋?qū)?3.75 m。上下部結(jié)構(gòu)采用固結(jié)體系，上部結(jié)構(gòu)采用鍋底型箱型斷面，下部采用樁接柱，橋墩邊墩采用φ90，中墩采用φ120，樁基采用鉆孔灌注樁，其橋梁橫斷面如圖2所示。

圖1 矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋型布置Fig.1Bridge Layout about Short-pier Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge （cm）

2 空間有限元模型及工況分析

本工程中矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋采用Midas Civil 2019 軟件分析，采用梁單元對主梁、橋墩、樁基進行模擬，建立空間模型進行分析。具體對以下情況進行分析：

⑴ 分析樁土效應對矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的影響；

⑵ 分析樁基淤泥層厚度對矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩內(nèi)力計算結(jié)果的影響；

⑶ 分析混凝土收縮、徐變、溫度力，預應力次內(nèi)力、不均勻沉降等作用對橋墩內(nèi)力的影響。其有限元模型如圖3所示。

圖2 矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橫斷面布置Fig.2 Cross-section Layout for Short-pier Prestressed Rigid Frame Bridge （cm）

圖3 矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋空間有限元模型Fig.3 Spatial Finite Element Model for Short-pier Prestressed Continuous Rigid Frame Bridge

3 樁土效應的有限元分析

因矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋墩較矮，溫度效應、預應力次內(nèi)力影響較大，有限元模擬時不能簡單地將橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)，對于矮墩計算需要考慮樁土共同作用，本文僅將樁周土的作用看成線彈性土彈簧，采用規(guī)范中的“m法”解決樁基的模擬［8］。分析橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)、考慮樁土效應2種工況下、頻遇組合［9］作用下墩頂彎矩、墩頂位移和裂縫情況，其結(jié)果如表1所示。

從表1 可看出，墩底固結(jié)與考慮樁土效應情況下墩頂內(nèi)力、水平位移、裂縫相差較大。因此矮墩建模時應考慮樁土效應，精確計算才能設(shè)計出合理的方案，避免造成浪費。

4 樁基淤泥厚度對矮墩計算結(jié)果影響分析

本工程位于珠海橫琴島外海峽灣內(nèi)，施工場地均為海灘地貌，淤泥層較厚，且海上段橋梁全長為2.2 km矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)。因地質(zhì)變化引起的約束條件的改變對橋墩內(nèi)力影響極為敏感，分析不同厚度淤泥層對矮墩剛構(gòu)內(nèi)力的影響很有必要。

從表2中數(shù)據(jù)分析可知，在樁頂標高-1.0 m處，隨著淤泥層厚度增大，對橋墩內(nèi)力和墩頂裂縫呈現(xiàn)減小的趨勢，當增大到5倍樁基直徑厚度淤泥層時，其內(nèi)力和裂縫保持不變。因此設(shè)計中只需計算橋位沿線地勘鉆孔淤泥最淺處橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況即可。

表1 3種工況下結(jié)構(gòu)模型橋墩內(nèi)力結(jié)果對比Tab.1 Comparison of Internal Force Results with Basic Simulation Models under Three Conditions

表2 不同淤泥層厚度下橋墩內(nèi)力結(jié)果對比Tab.2 Comparison of Internal Force Results under Different Silt Layer Thickness

5 矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂內(nèi)力影響因素分析

考慮樁土效應［10］，分析混凝土收縮、徐變、溫度力、預應力次內(nèi)力、不均勻沉降等作用對橋墩內(nèi)力的影響，其各項所占比例如表3所示。

表3 橋墩內(nèi)力影響因素占比Tab.3 Proportion of Factors Affecting Bridge Pier Internal Force

從表3 分析數(shù)據(jù)得出：①對于4×20 m 連續(xù)矮墩剛構(gòu)橋，對邊墩和次邊墩，混凝土徐變、預應力次內(nèi)力、溫度效應、混凝土收縮、不均勻沉降影響是基本一致的，且按照羅列順序從大到小排列；②按照影響因素所占比分析，混凝土徐變對橋墩墩頂內(nèi)力影響最大，上部結(jié)構(gòu)預應力產(chǎn)生次內(nèi)力次之。因此對于矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計，首先，上部結(jié)構(gòu)的預應力設(shè)計應兼顧下部結(jié)構(gòu)受力情況；其次，混凝土選擇上需要綜合考慮水泥品種、細度、水灰比、骨料和外加劑等因素。

6 矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計注意點

⑴ 為了改善矮墩的不利狀況，在施工條件允許的情況下，適當降低樁頂標高，以有效減小墩柱剛度。

⑵ 4 跨一聯(lián)連續(xù)剛構(gòu)，盡量增大邊跨的柔度，釋放混凝土徐變、溫度力、預應力次內(nèi)力對橋墩產(chǎn)生的作用。

⑶ 混凝土的收縮、徐變對結(jié)構(gòu)受力影響較大，應在設(shè)計、施工階段選擇適宜的混凝土材料。

7 結(jié)論

通過對矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋建模分析，得出以下相關(guān)結(jié)論：

⑴ 對于矮墩預應力連續(xù)剛構(gòu)橋，下部結(jié)構(gòu)橋墩受力極為不利。在考慮施工條件下，合理增大橋墩受力不利處的配筋率，或?qū)蚨帐┘迂Q向預應力，能夠有效地保證橋墩不開裂，提高結(jié)構(gòu)耐久性。

⑵ 為了使矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計更加合理、經(jīng)濟，通過對比分析，結(jié)果證明建立包含樁-土效應在內(nèi)的整體計算模型，合理考慮樁基柔度的有利作用很有必要。

⑶ 不同的地質(zhì)情況對矮墩剛構(gòu)內(nèi)力影響較大，本工程中隨著淤泥層的加厚，對結(jié)構(gòu)是有利的，但達到5倍樁徑淤泥層后，對墩柱內(nèi)力計算結(jié)果無影響。