1、公路 2011年6月 第6期H IGH WA Y Jun 2011 N o 6文章編號:0451-0712(201106-0087-03 中圖分類號:U 443 22 文獻標識碼:B大跨預應力連續剛構橋高墩優化設計研究李安渠(山西省公路局養路處 太原市 030006摘 要:以黃河上一座高墩預應力混凝土連續剛構橋為背景,重點探討了該類橋梁中高墩的設計優化。通過對5種試驗墩型對應結構的詳細數值分析,分析比較了單箱墩與雙薄壁墩在同一高墩中,以不同高度比例組合下的受力情況。關鍵詞:高墩;雙薄壁墩;組合式橋墩;優化設計大跨預應力混凝土連續剛構橋以其結構輕盈、造價低廉、技術成熟、適應性強等優點受到廣大橋梁

2、建設者的青睞,特別是在山區高等級公路建設中應用更廣。對于建設在深谷地帶的大跨連續剛構橋,由于受地形條件限制,需要設置大高度墩身,有時墩高甚至超過跨徑,因此高墩的設計成為該類橋梁的關鍵問題。本文將以山西某黃河大橋為工程實例研究討論高墩的優化設計。1 工程概況山西某黃河大橋主橋橋跨布置為120m +3175m +96m 的五跨預應力混凝土連續剛構橋,如圖1所示,橋梁全寬29 5m,分左右兩幅,單幅寬12 0m 。上部結構為三向預應力混凝土變截面箱梁,橋寬12m,底板寬7m,跨中梁高4 5m,根部梁高10 5m 。主墩 的墩高依次為60m 、146m 、146m 和68m, 、 墩身為鋼筋混凝土箱形

3、截面, 、 墩為單箱墩與雙薄壁墩組合式橋墩,兩者高度各占一半。橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工。設計荷載為公路 級,風速27 7m /s。 單位:mm圖1 橋型布置2 高墩結構形式從構造上講,高墩可分為雙薄壁墩、單墩以及兩者結合的組合式橋墩,表1為國內部分墩高大于100m 的連續剛構的墩身形式。為探討3種墩型的受力情況,以及組合式橋墩中單箱墩與雙薄壁墩以不同高度比例組合下的受力情況,設計了5種試驗墩身形式,如圖2所示。(1墩型1:雙薄壁墩;(2墩型2:組合式橋墩,單箱墩占總墩高1/4;(3墩型3(設計墩型:組合式橋墩,單箱墩占總墩高2/4;(4墩型4:組合式橋墩,單箱墩占總墩高3/4;(5墩型5:單箱

4、形墩。薄壁墩墩身為矩形墩,截面尺寸7m (橫 2 5m (順,兩墩間距8m;單墩采用箱形斷面,截面尺寸7m (橫 10 5m(順,壁厚1m 。收稿日期:2011-05-03表1 國內部分高墩連續剛構墩形橋名主跨/m 墩高及形式 云南紅河大橋265最大墩高121m,雙薄壁墩內昆鐵路花土坡特大橋104最大墩高110m,單箱型墩南昆線清水河大橋128最大墩高100m,單箱型墩陜西洛河大橋160最大墩高143m,雙薄壁陜西葫蘆河大橋160最大墩高138m,雙薄壁湖北龍潭河大橋200最大墩高178m,雙薄壁湖北雙河口大橋170最大墩高166m,雙薄壁貴州虎跳河大橋225最大墩高151m,單箱型墩+雙薄壁

5、墩貴州烏江特大橋200最大墩高151m,雙薄壁墩廣東清連路杜步一號橋125最大墩高110m,單箱型墩+雙薄壁墩3 上部結構對比分析3 1 上部結構內力對比分析單位:mm圖2 試驗墩身形式分別采用上述5種墩身形式建立有限元模型,計算恒載內力(按實際施工流程計算以及運營階段活載內力。上部結構關鍵截面內力見表2。表2 上部結構關鍵截面內力對比kN m墩身形式恒載墩頂彎矩恒載跨中彎矩活載墩頂負彎矩活載跨中正彎矩 肢 肢第2跨跨中中跨跨中 肢 肢第2跨跨中中跨跨中墩型1-1470353-14574745363548032-147130-1438794694940534墩型2-1470924-145747

6、75353848094-147457-1447534502037208墩型3-1469711-14571855377648078-146335-146 0984504536860墩型4-1469422-14570655383848097-147877-1472014508036112墩型5-16348235396048247-1616164491035265注: 肢為雙薄壁墩中靠邊跨側墩; 肢為靠中跨側墩。由表2可知,墩型1墩型4上部結構內力相差無幾,墩型5由于沒有雙薄壁墩的峰值折減,其墩頂恒載及活載負彎矩偏大(增大約11%。3 2 上部結構位移對比分析分別計算5種墩型對應結構的活載位移,各跨

7、跨中活載最大下撓位移見表3。由表3可知,結構整體剛度較大,5種墩型剛度均滿足要求;隨著單箱墩所占比重的增大,墩身的縱向抗推剛度和抗彎剛度增大,跨中位移逐漸減小。表3 跨中活載位移對比mm墩型第2跨跨中中跨跨中第4跨跨中墩型1584651墩型2554149墩型3554148墩型4543748墩型5533647圖3 活載最大位移對比4 墩身穩定性分析穩定問題是力學問題中的一個重要的分支,也是橋梁工程中經常遇到的問題,有著十分重要的意義。隨著橋梁跨度的增大,橋墩高聳化,結構整體和局部剛度下降使得穩定問題顯得比以前更為重要。88 公 路 2011年 第6期橋墩的穩定性分析是高墩設計中的一個重要方面。墩

8、身的穩定不但與自身截面尺寸及所受外荷載有關,還與其邊界條件有密切關系。因此墩身穩定性分析主要考慮兩個最不利的階段。(1最大雙懸臂階段:上部結構尚未合龍,墩身受上部結構約束較弱。考慮荷載:結構自重;不平衡重(1/2梁段自重;施工橫風。(2成橋運營階段:各荷載均已施加,橋墩受荷載最大時。考慮荷載:結構自重;活載(橋墩軸力最大工況;橫風。分別計算5種墩型對應結構在兩種不利階段下的失穩,各墩型對應結構的一階失穩模態及穩定系數見表4。分析如下。表4 穩定分析對比墩型最大雙懸臂階段成橋運營階段一階穩定系數失穩模態一階穩定系數失穩模態墩型14 53橫向側傾7 50橫向側傾墩型25 73橫向側傾8 48橫向側

9、傾墩型36 34橫向側傾9 24 橫向側傾墩型46 67橫向側傾9 82橫向側傾墩型56 89橫向側傾10 25橫向側傾(1隨著單箱墩所占比重的增加,結構的穩定性相應提高。這是由于一階失穩為橫向側傾,其由橋墩橫向剛度控制,而顯然單箱截面橫向剛度大于薄 壁墩,隨單箱墩比重增加,橋墩橫向剛度增加,一階失穩系數相應提高。(2最大雙懸臂階段為墩身穩定的控制階段,從圖4可以看出,當單箱墩比例從0變化到2/4時,一階失穩系數增幅較大,從2/4增加至1時,增幅趨勢變緩。本橋選用墩型3,既有較高的穩定系數,材料數量相對較省,較為合適。圖4 墩身穩定分析5 墩身內力對比分析分別計算5種墩型在恒載、活載、溫度、風

10、荷載等作用下墩底截面的內力,見表5。分析如下。表5 墩底內力比較kN m墩型成橋(包括徐變M s活載Msmax min升溫M s降溫M s百年順風M s百年橫風M h墩型178*-39013-305912928234560655599墩型29824938429-35307-3576634836347671748388墩型39968439279-36311-3601635432348678801103墩型411288846818-43871-3754937375351191874780墩型512368160524-57832-4139141391354210956605注:為便于比較,表中墩型1

11、墩底內力為雙肢墩承臺頂的整體內力;M s表示順橋向彎矩,M h表示橫橋向彎矩;順橋向彎矩中正彎矩為倒向中跨的彎矩,負彎矩為倒向次邊跨的彎矩。(1隨著單箱墩所占比重的增加,橋墩抗推剛度增大,墩底在收縮徐變、活載、溫度等荷載作用下產生的順橋向彎矩增加明顯,其中單箱型墩相比于雙薄壁墩增加了35%58%。(25種墩型在百年順風作用下產生的墩底順橋向彎矩變化不大。(3隨著單箱墩所占比重的增加,百年橫風引起的墩底橫橋向彎矩相應增加,其中單箱型相比于雙薄壁墩增加了46%,這是因為薄壁墩迎風面積及橫向風阻系數較小,墩自身所受風荷載較小;薄壁墩比重越大,墩身橫向剛度越小,其分擔的上部結構橫風荷載相應減小。6 結

12、語(1由于雙肢墩的削峰作用,雙薄壁墩及組合式橋墩墩頂主梁恒載及活載負彎矩較單箱墩小;墩身892011年 第6期 李安渠:大跨預應力連續剛構橋高墩優化設計研究公路 2011年6月 第6期H IGH WA Y Jun 2011 N o 6 文章編號:0451-0712(201106-0090-05 中圖分類號:U448 215 文獻標識碼:B連續剛構0號塊的空間應力分析楊 進,羅 永,羅學成(中交一公局橋隧工程有限公司 保定市 074000摘 要:采用懸臂施工的大跨度預應力混凝土連續剛構,因0號塊梁段的構造和受力較為復雜,保證它的質量與安全非常重要。以永定河大橋為工程實例,運用A NSY S有限元

13、程序建立該橋0號塊段的局部計算模型?？紤]橋梁施工、成橋以及運營階段多種工況對0號梁段進行了局部受力分析。計算結果表明:該橋梁原設計的0號梁段隔板與腹板、底板與交接處等位置比較薄弱,需局部加強。關鍵詞:連續梁橋;懸臂施工;0號塊梁段;局部應力分析1 工程概況永定河大橋位于京開高速公路(幸立村收費站市界內。本橋跨徑為5 35m+4 35m+ (35m+60m+35m+32m+3 35m+5 35m,跨北堤部分上部結構為(35m+60m+35m的3孔預應力連續剛構箱梁,采用掛籃懸臂施工。連續段上部結構為單箱三室變截面預應力混凝土箱梁,梁底曲線為二次拋物線,支點處梁高3 0m,中跨跨中梁高1 5m,箱

14、底寬12 0m,兩側懸臂各2 375 m,下部結構為V形墩,鉆孔灌注樁基礎。2 ANSYS軟件簡介ANSYS軟件是一個大型通用有限元分析軟件,能夠進行結構、熱、流體、電磁、聲學等學科的研究,廣泛應用于土木工程、地質礦產、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業、石油化工、輕工、電子、日用家電和生物醫學等一般工業及科學研究。 ANSYS軟件的主要功能如下。(1結構分析。結構分析是有限元分析方法最常用的一個應用領域,其目的是要確定結構在靜定或運動條件下受指定荷載、溫度和約束作用時的應力和位移分布。為了保證結構能正常工作,必須滿足強度、剛度和穩定性等方面的要求,可以說應力應變分析是結構分析的基本內容。(2熱分析。熱分析用于計算一個系統的溫度等熱物理量的分布及變化情況,基于熱平衡方程。(3流體動力學分析。其能夠進行二維及三維的流體瞬態和穩態動力學分析。(4電磁場分析。其能分析電感、電容、電場分布、磁場線分布及能量損失等電磁場問題。(5聲學分析等。3 連續剛構懸臂施工0號塊應力分析的目的和意義采用懸臂施工的大跨度預應力混凝土連續剛構箱形梁橋,因其施工技術經濟合理、機械化程度高,收稿日期:201