宋陽光， 龍 晟

(湖南建工交通建設(shè)有限公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

鋼箱梁T型剛構(gòu)橋因跨越能力強、結(jié)構(gòu)自重小、承載力高及施工快速簡便等優(yōu)點，逐漸成為跨越鐵路、公路的優(yōu)選橋型之一。該橋型的支撐方式可根據(jù)地形條件靈活選擇，但不同橋墩結(jié)構(gòu)形式會對橋梁安全性產(chǎn)生不同影響，因此橋梁在建設(shè)過程中應(yīng)高度重視橋墩結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼箱梁T型剛構(gòu)橋的設(shè)計展開了大量研究。如楊國靜等[1]提出了適用于拱橋扣掛施工的T(剛)構(gòu)門式高墩設(shè)計，針對門式T構(gòu)交界墩進行受力分析，并與其他墩型進行經(jīng)濟性比較，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)受力合理、可較好地承擔(dān)施工扣塔的角色且經(jīng)濟性好；孫大斌[2]針對客運專線無砟軌道預(yù)應(yīng)力T構(gòu)橋梁的合理跨徑，從技術(shù)性和經(jīng)濟性兩方面進行分析，發(fā)現(xiàn)客運專線無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)橋單側(cè)跨度以不大于80 m為宜。劉君奎等[3]提出了一種以結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)標(biāo)定為依據(jù)的大型橋梁結(jié)構(gòu)減振加固動力學(xué)方法，該方法可以使引起結(jié)構(gòu)振動過大的自振頻率范圍響應(yīng)幅值減小40%～50%，證明了其準(zhǔn)確性和有效性；黃勝方[4]闡述了高墩大跨度T型剛構(gòu)橋托架的設(shè)計方案，包括托架施工的設(shè)計原理、托架的數(shù)值建模及計算分析、托架反向預(yù)應(yīng)力張拉體系設(shè)計原理，以及相應(yīng)的施工方案，對同類路橋工程有一定參考意義。目前，適合鋼箱梁T型剛構(gòu)橋的橋墩形式主要有混凝土墩、鋼結(jié)構(gòu)墩、鋼混組合墩以及UHPC墩等，學(xué)者在研究橋墩設(shè)計參數(shù)時，基本是對單一橋型的參數(shù)進行比較，而關(guān)于不同橋墩結(jié)構(gòu)形式的研究還不夠完善?；诖?，本文以某鋼箱梁T型剛構(gòu)橋工程為例，通過MIDAS/CIVIL軟件建立橋梁計算模型，并針對4種橋墩設(shè)計方案的橋梁變形及受力變化規(guī)律進行對比分析，選出最優(yōu)橋墩設(shè)計方案，為今后類似橋梁的設(shè)計和施工提供一定參考。

1 工程概況

1.1 橋梁構(gòu)造設(shè)計

某鋼箱梁T型剛構(gòu)橋設(shè)計全長為200m，下部跨越4條鐵路專線，相交角度為62.5°。為了保證線路正常運行，該橋施工采用轉(zhuǎn)體法，由2個100m長T構(gòu)組成，轉(zhuǎn)體角度均為65°。上部結(jié)構(gòu)采用單箱五室變截式鋼箱梁，梁高2.8～6.8m，頂板寬21m，厚度范圍16～40mm；底板寬15.5m，厚度范圍16～24mm。該橋梁連接城市主干道，車道設(shè)計為雙向四車道，安全等級為Ⅰ級，荷載等級為城市A級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，鐵路通行凈空要求不小于7.2m，抗震烈度設(shè)計為8度，加速度為0.2g。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 鋼箱梁T型剛構(gòu)橋立面圖(單位： m)

1.2 橋墩設(shè)計方案

橋梁下部結(jié)構(gòu)主墩原設(shè)計采用截面尺寸6 m×8 m的混凝土結(jié)構(gòu)空心薄壁墩，縱橋向和橫橋向壁厚分別為1.2m和1.5m，主墩與鋼箱梁采用預(yù)應(yīng)力鋼筋連接，樁基礎(chǔ)采用直徑為1.5m的鉆孔灌注樁，共計32根，呈矩形布置。為了使鋼箱梁剛構(gòu)橋具有更高的安全性和穩(wěn)定性，增加3種橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行比較：

方案1： 采用鋼結(jié)構(gòu)橋墩，截面鋼板24mm，中間設(shè)置4道厚度為16mm的橫隔板。

方案2： 采用鋼混組合結(jié)構(gòu)橋墩，鋼板厚度為16mm，縱橋向和橫橋向混凝土灌注厚度分別為1.2m和1.5m。

方案3： 采用超高性能(UHPC)混凝土結(jié)構(gòu)橋墩，縱橋向和橫橋向壁厚均為0.5m。

2 建立模型

運用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立鋼箱梁T型剛構(gòu)橋的計算模型，鋼箱梁、橋墩及樁基礎(chǔ)均采用梁單元進行模擬，上部結(jié)構(gòu)箱梁與下部結(jié)構(gòu)主墩均采用主從約束連接，邊墩與主梁采用節(jié)點彈性連接，對主墩支座施加橫橋向和豎向約束，對邊墩支座進行豎向約束，墩底采用完全固結(jié)約束。計算過程中考慮樁-土之間的相互作用，采用土彈簧來模擬地基土對樁基礎(chǔ)的約束作用。全橋共包含396個梁單元和472個節(jié)點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型示意圖

計算模型中鋼箱梁和鋼結(jié)構(gòu)橋墩材料均采用Q345鋼板，主墩承臺以及鋼混橋墩灌注材料均采用C50混凝土，墩身采用C40混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用標(biāo)準(zhǔn)強度為1860MPa的高強度鋼絞線，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 主要材料計算參數(shù)取值材料類型密度/(g·cm3)彈性模量/GPa泊松比C502.61350.20C402.55300.23UHPC2.72450.25Q3457.802100.32

3 結(jié)果與分析

為選擇鋼箱梁剛構(gòu)橋更優(yōu)橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，運用軟件分別建立4種不同橋墩結(jié)構(gòu)形式的鋼箱梁剛構(gòu)橋計算模型，并針對該橋施工階段和成橋階段的主梁位移、應(yīng)力及橋墩彎矩變化情況進行對比分析，具體分析過程如下。

3.1 施工階段變形及受力分析

3.1.1位移分析

施工階段不同橋墩設(shè)計方案的主梁最大向上、向下位移變化曲線如圖3所示。

圖3 主梁最大位移變化曲線

根據(jù)圖3可知，采用不同橋墩結(jié)構(gòu)形式的橋梁在施工階段所產(chǎn)生的最大位移值不同。相對于原設(shè)計方案，方案1的橋梁最大向上、向下位移分別增大了6.4mm和6.6mm，該方案造成的橋梁隆起和豎向變形量要遠遠大于原方案;方案2的橋梁最大向上、向下位移分別減小了2mm和2.1mm;方案3的橋梁最大向上、向下位移分別減小了1.4mm和1mm;方案2和方案3相對于原方案一定程度減小了主梁的隆起和豎向變形，由此說明橋墩采用方案2與方案3對于控制主梁豎向變形效果更好。

3.1.2應(yīng)力分析

施工階段不同橋墩設(shè)計方案的主梁最大拉、壓應(yīng)力變化曲線如圖4所示。

圖4 主梁最大應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖4可知，采用不同橋墩設(shè)計方案的橋梁在施工階段主梁所產(chǎn)生最大壓應(yīng)力基本一致，說明橋墩結(jié)構(gòu)形式對于主梁壓應(yīng)力的影響不大，但對主梁拉應(yīng)力的影響較大。橋墩方案1～3的主梁最大拉應(yīng)力相對于原方案分別減小了7.4%、18.3%和8.1%，其中方案1和方案3減幅相對較??；方案2的減幅相對較大，由此說明橋墩采用方案2對于控制主梁應(yīng)力變形效果要優(yōu)于其他橋墩設(shè)計方案。

3.1.3彎矩分析

施工階段不同橋墩設(shè)計方案的墩頂、墩底截面最大彎矩變化曲線如圖5所示。

圖5 墩頂、墩底最大彎矩變化曲線

根據(jù)圖5可知，不同橋墩設(shè)計方案對施工階段橋梁墩頂、墩底截面彎矩值影響較大。相對于原橋墩設(shè)計方案，方案1～3的橋梁墩頂截面最大彎矩值分別減小了34.4%、11.3%和5.2%；而相對于原設(shè)計方案的墩底截面最大彎矩值，方案1和方案3橋梁分別增大了30.8%和8.8%，方案2的橋梁則減小了7.8%；其中方案1雖然較大幅度的降低了橋梁墩頂截面的彎矩，但同時也大幅度提升了墩底截面的彎矩，極易造成橋梁失穩(wěn)；而方案3減小墩頂截面彎矩的幅度比方案2小，且方案3一定程度上增大了墩底截面的彎矩，因此，該橋橋墩設(shè)計采用方案2對于橋梁結(jié)構(gòu)受力更好。

3.2 成橋階段變形及受力對比分析

3.2.1位移分析

成橋階段不同橋墩設(shè)計方案的主梁最大向上、向下位移變化曲線如圖6所示。

圖6 主梁最大位移變化曲線

根據(jù)圖6可知，采用不同方案的橋梁在成橋階段所產(chǎn)生的最大位移值均要大于施工階段，且相對于橋墩原設(shè)計方案，采用方案1的橋梁最大位移出現(xiàn)較大增長，會導(dǎo)致橋梁的隆起和豎向變形量較大，而采用方案2和方案3的橋梁最大位移均有所下降，方案2的位移降幅相對較大，綜合來看該橋橋墩采用方案2對于控制成橋后主梁的最大變形效果更優(yōu)。

3.2.2應(yīng)力分析

成橋階段不同橋墩設(shè)計方案的主梁最大拉、壓應(yīng)力變化曲線如圖7所示。

圖7 主梁最大應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖7可知，采用3種橋墩設(shè)計方案的橋梁在成橋階段主梁所產(chǎn)生最大壓應(yīng)力均要小于原方案，但減小幅度相對較小，而對于主梁拉應(yīng)力的影響較大，采用橋墩方案1～3的主梁最大拉應(yīng)力相對于原方案分別減小了8.9%、21.6%和12.1%，其中方案1和方案3減幅相對較小，方案2的減幅相對較大，由此說明成橋階段橋墩采用方案2對于控制主梁應(yīng)力變形效果同樣要優(yōu)于其他橋墩設(shè)計方案。

3.2.3彎矩分析

成橋階段不同橋墩設(shè)計方案的墩頂、墩底截面最大彎矩變化曲線如圖8所示。

圖8 墩頂、墩底最大彎矩變化曲線

根據(jù)圖8可知，不同橋墩設(shè)計方案對成橋階段橋梁墩頂截面的彎矩值影響較小，但對墩底截面的彎矩影響較大，采用方案1～3的橋梁相對于原橋墩設(shè)計方案的墩底截面最大彎矩值分別增大了11.4%、4.2%和19.1%，其中采用方案1和方案3的橋梁墩底截面最大彎矩值增幅較大，而采用方案2的橋梁增幅相對較小，由于橋梁墩底截面彎矩不宜過大，因此，對于橋梁受力而言橋墩設(shè)計采用原方案或方案2要優(yōu)于方案1與方案3。

4 結(jié)論

通過對比分析4種橋墩設(shè)計方案對橋梁施工和成橋兩個階段的位移、應(yīng)力及彎矩的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1) 采用鋼結(jié)構(gòu)墩會大幅度增大橋梁施工階段和成橋階段的最大位移，而采用鋼混組合墩或UHPC墩可以一定幅度減小主梁隆起和豎向變形。不同橋墩設(shè)計方案對主梁壓應(yīng)力的影響不大，3種橋墩方案均可降低主梁的最大拉應(yīng)力，采用鋼混組合墩可有效降低施工18.3%和成橋階段21.6%的最大拉應(yīng)力，效果更好。

2) 采用鋼結(jié)構(gòu)墩會降低施工階段墩頂截面34.4%彎矩值，但同時也大幅度提升了墩底截面的彎矩30.8%；采用UHPC墩可以降低施工階段5.2%的墩頂彎矩，但會增大施工階段8.8%和成橋階段19.1%的墩底截面最大彎矩；而采用鋼混組合墩雖然增大了成橋階段11.3%的墩底彎矩值，但有效降低了施工階段墩頂、墩底截面最大彎矩。綜合來看，橋墩設(shè)計方案采用鋼混組合橋墩的橋梁相比鋼結(jié)構(gòu)墩或UHPC墩的橋梁結(jié)構(gòu)受力更為合理，安全性更高。