APP下载

墩高、联长对刚构T 梁桥受力性能的影响

2020-09-02黄致靖

福建交通科技 2020年4期
关键词:梁桥跨径桥墩

黄致靖

(福建省交通规划设计院有限公司,福州 350004)

预应力连续T 梁是公路桥梁广泛采用的桥梁结构形式,对于高墩桥梁,一般会将墩梁固结,不仅可以节省桥梁支座,方便后期养护,而且可以改善桥梁的受力,提高桥梁整体稳定性和抗震性能[1-4]。由于墩梁固结,导致刚构T 梁桥的整体受力状态与连续T 梁桥不同, 特别是在墩高较矮的情况下,在混凝土收缩徐变和温度荷载作用下,会产生很大的次内力。基于此,本文探讨了墩高和联长对刚构T 梁桥受力性能的影响, 并分析了各荷载工况对桥墩弯矩的影响, 通过计算分析为刚构T 梁桥的应用提供理论依据,同时可为刚构T 梁桥的设计提供参考。

1 墩高对刚构T 梁桥受力性能的影响

对于刚构T 梁桥, 桥墩高度是影响其受力性能的重要因素之一,墩高太矮,桥梁抗推刚度大,温度变化及收缩徐变作用的次内力太大, 此时墩梁固结会对桥梁结构产生很不利的影响,因此需要控制刚构T 梁桥的墩高,保证桥梁处于比较好的受力状态,提高桥梁的耐久性。在高速公路桥梁设计中,跨径小于30 m 的T 梁一般适用于桥墩较矮的情况, 桥梁上部结构一般采用简支或者连续结构。对于30 m 和40 m 标准跨径T 梁,一般适用于墩高较高的情况,但是由于其跨径较大,可以减少下部桥墩的数量,因此在跨海、跨河和穿越城镇时,也适用于墩高较矮的情况,桥梁结构一般采用连续或刚构体系。

1.1 有限元模型的建立

为了研究墩高对刚构T 梁桥受力性能的影响, 选取单幅桥宽13 m 的双向4 车道高速公路T 梁桥,下部桥墩采用双柱墩。墩高范围在10~50 m,间隔5 m,分别建立不同墩高的有限元模型。考虑到实际桥梁设计中,同一跨径桥梁不同墩高采用的桥墩截面尺寸也不同, 为了与实际桥梁设计相符,确定采用刚构体系较优的墩高范围,假定同一跨径下桥墩的线刚度保持不变。 对于30 m 跨径桥梁,取墩高40 m,直径2 m 的线刚度为基准;对于40 m跨径桥梁,取墩高30 m,直径2 m 的线刚度为基准,可以得到不同墩高下的桥墩直径如表1 所示。

表1 不同墩高下桥梁的桥墩直径

考虑到桥梁联长也是影响刚构体系的重要影响因素之一,因此采用常规的5×30 m 和4×40 m 一联,利用桥梁博士4.0,建立有限元模型,桥梁荷载按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015 进行加载, 其中温度荷载按整体升温25°,整体降温20°设置。

1.2 墩高对30 m 跨径刚构T 梁桥受力性能的影响

通过建立的30 m 跨径刚构T 梁桥有限元模型,提取不同墩高时上部T 梁弯矩和桥墩顶底弯矩, 得到桥墩高度对30 m 跨径刚构T 梁桥受力性能的影响,如图1~2 所示。

图1 30 m 跨径刚构T 梁桥墩高对T 梁弯矩的影响

图2 30 m 跨径刚构T 梁桥墩高对桥墩弯矩的影响

从图1~2 中可以看出, 上部T 梁弯矩随着桥梁高度的增大先减小,后缓慢增大,当墩高为25~30 m 时,T 梁正负弯矩都达到最小值, 同时桥墩弯矩随着桥梁高度的增大而减小。 当桥墩高度从10 m 增大到30 m 时,上部T梁的负弯矩减少9.5%,正弯矩减少2.3%,下部桥墩墩顶弯矩减小43.6%,桥墩墩底弯矩减小54.5%,因此,桥墩高度的变化对T 梁正弯矩影响不大, 对T 梁负弯矩影响较大,对桥墩受力性能的影响非常大。

1.3 墩高对40 m 跨径刚构T 梁桥受力性能的影响

通过建立的40 m 跨径刚构T 梁桥有限元模型,提取不同墩高时上部T 梁弯矩和桥墩顶底弯矩的数据, 得到桥墩高度对40 m 跨径刚构T 梁桥受力性能的影响,如图3~4 所示。

从图3~4 中可以看出,桥墩高度对40 m 跨径刚构T梁桥受力性能的影响与30 m 跨径刚构T 梁桥类似,上部T 梁弯矩随着桥梁高度的增大先减小,后缓慢增大,当墩高为25~30 m 时,T 梁正负弯矩都达到最小值,同时桥墩弯矩随着桥梁高度的增大而减小。当桥墩高度从10 m 增大到30 m 时,上部T 梁的负弯矩减少7.0%,正弯矩减少1.8%,下部桥墩墩顶弯矩减小39.7%,桥墩墩底弯矩减小52.0%,因此,桥墩高度的变化对T 梁正弯矩影响不大,对T 梁负弯矩影响较大,对桥墩受力性能的影响非常大。

图3 40 m 跨径刚构T 梁桥墩高对T 梁弯矩的影响

图4 40 m 跨径刚构T 梁桥墩高对桥墩弯矩的影响

通过分析墩高对30 m 跨径和40 m 跨径刚构T 梁桥受力性能的影响,刚构T 梁桥桥墩高度不宜太矮。墩高太矮,T 梁的负弯矩会比较大, 桥墩顶底弯矩也会急剧增加,特别是对桥墩墩顶的受力产生非常大的影响,对桥墩的受力极为不利。通过以上分析,建议刚构T 梁桥的墩高不宜小于25~30 m, 考虑到模型在墩底直接固结与实际情况有些误差, 建议墩高在25 m 以下不宜采用刚构体系, 对于地表土为淤泥或者软土的情况, 墩高可适当减低。通过限制刚构体系桥梁的最小墩高,可以避免桥墩受力过大,造成桥墩设计尺寸偏大,材料浪费。 通过图2、4可以看出, 随着墩高的增大, 桥墩顶底的弯矩差值也越大,但墩顶弯矩始终大于墩底弯矩,在设计中,可以偏安全按墩顶内力进行桥墩设计。

1.4 不同工况对刚构T 梁桥桥墩受力性能的影响

对于连续T 梁桥,桥墩受力主要以轴力为主,属于小偏心受压构件。但是对于刚构T 梁桥的桥墩,特别是刚构边墩, 桥墩所受的弯矩往往成为了桥墩设计的控制内力,为了研究刚构T 梁桥桥墩弯矩产生的主要因素,选取跨径30 m,墩高25 m 的刚构T 梁模型,提取边墩数据,得到不同荷载工况下对桥墩墩顶弯矩的影响,如表2~3 所示。

表2 不同荷载工况对桥墩墩顶负弯矩的影响

表3 不同荷载工况对桥墩墩顶正弯矩的影响

由表2~3 可知, 连续刚构T 梁桥桥墩弯矩对收缩和整体升降温非常敏感, 其产生的弯矩效应比恒载和车道荷载还要大,因此在设计过程中,应重点考虑混凝土收缩和结构整体升降温对桥墩受力的影响。对水灰比、骨料和外加剂等影响混凝土收缩的因素应该严格按照规范要求执行,减小混凝土收缩对桥墩产生的不利影响。整体升降温产生的效应大小与上部结构合龙时的温度息息相关,在设计合龙温度时,应注意桥梁结构的有效温度标准值,根据不同有效温度标准值值,设计最佳合龙温度,保证整体升降温对桥墩产生的不利影响降到最低。

2 联长对刚构T 梁桥受力性能研究

为了提高桥梁行车舒适性和减少后期伸缩缝的维修更换,在桥梁受力合理范围内应尽量增大联长,减少伸缩缝的设置。 桥梁联长增大,导致桥梁边墩与主梁纵向位移零点的距离变大, 在混凝土收缩徐变和整体升降温等荷载的作用下,边墩将产生较大的纵向位移,导致边墩弯矩增大。 通过建立的墩高25 m,跨径30 m 刚构T 梁有限模型, 提取不同联长时上部T 梁弯矩和桥墩墩顶弯矩,得到联长对刚构T 梁桥受力性能的影响,如图5~6 所示。

图5 联长对T 梁弯矩的影响

图6 联长对桥墩墩顶最大弯矩的影响

由图5 可知, 联长的变化对T 梁的最大负弯矩和最大正弯矩的影响不大, 基本可以忽略联长对上部T梁受力的影响。 由图6 可知,桥墩墩顶的最大弯矩随着联长的增大而增大,基本呈线性关系。 以5×30 m 为标准联长, 当联长为3×30 m、4×30 m、6×30 m 和7×30 m时, 墩顶最大弯矩分别增加-26.1%、-17.8%、16.0%和34.3%, 由此可见联长对桥墩最大弯矩的影响非常大,在确定联长过程中,应避免联长过大,导致桥墩弯矩太大。 当桥梁联长较长时, 可以考虑边墩采用连续墩结构,避免墩顶纵向位移过大,导致墩身承载力和抗裂能力不满足要求。

刚构T 梁桥是一种多次超静定结构体系, 随着一联孔数的增加,超静定次数也越多,混凝土收缩和结构整体升降温产生的效应也愈加明显。 不同联长下各荷载工况产生的的墩顶弯矩如图7 所示。

从图7 可以看出, 各荷载工况产生的桥墩墩顶弯矩与联长也基本呈线性关系, 其中混凝土收缩和整体升降温产生的桥墩弯矩对联长较为敏感。

图7 不同联长下各荷载工况产生的桥墩墩顶弯矩

3 结语

本文主要分析墩高和联长对刚构T 梁桥受力性能的影响, 同时分析了不同荷载工况对刚构边墩最大弯矩的影响,得到以下结论:

(1)对于30 m 跨径和40 m 跨径刚构T 梁桥,桥墩高度对上部主梁受力影响较小,对桥墩弯矩影响非常大,为优化刚构T 梁桥的整体受力,墩高不宜太小,建议墩高大于25 m 以上采用刚构体系。

(2)混凝土收缩和桥梁结构整体升降温对刚构T 梁桥桥墩弯矩影响非常大,设计和施工应予以重视。

(3)联长对上部结构T 梁受力的影响可以忽略,对桥墩弯矩的影响较大,基本呈线性关系,且收缩徐变和整体升降温产生的桥墩弯矩也与联长呈线性关系, 设计中应控制好联长,避免桥梁刚构边墩弯矩过大。

猜你喜欢

梁桥跨径桥墩
多跨曲线连续梁桥结构受力及稳定性分析
大跨径预应力连续刚构桥施工技术
山区峡谷大跨径桁式钢管混凝土施工工艺浅析
基于RNG k-ε湍流模型的串列双矩形截面桥墩绕流流场特性研究
高速铁路连续梁桥施工控制关键问题研究关键探索
基于三维激光扫描大跨径桥梁挠度变形监测方法的探究
预应力碳板加固装配式空心板梁桥合理参数研究
山区高速公路中小跨径桥梁设计
主跨 180 m 公路钢 - 混混合连续梁桥设计分析
不同截面形式的低配筋桥墩的抗震性能分析